Java线程同步机制

线程同步机制是一套用于协调线程间的数据访问及活动的机制，该机制用于保障线程安全以及实现这些线程的共同目标。

锁概述

线程安全问题的前提是多个线程并发访问共享变量。针对这个情况，将多个线程对共享变量的并发访问转换为串行访问，既一个共享数据同时只能有一个线程访问，该线程访问结束后其他线程才能访问。这个思想的具体实现就是锁。
一个线程在访问共享数据时必须申请对应的锁，获得锁以后才能访问共享数据，访问完共享数据后释放锁，其他线程才能继续申请锁。执行线程在获取锁后到释放锁之前的这段时间执行的代码被称为临界区。临界区一次只能被一个线程访问执行。
锁具有排他性，既一个锁同时刻只能被一个线程持有。这种锁被称为互斥锁或者排他锁。这是最常见的锁。
按照Java虚拟机对锁的实现方式划分，分为内部锁和显式锁。内部锁是synchronized；显示锁是指java.util.concurrent.locks.Lock接口的实现类（如 java.util.concurrent.locks.ReentrantLock类）。

锁的作用

锁能够保护共享数据以实现线程安全，作用包括保障原子性、保障可见性和保障有序性。
锁通过互斥性保障原子性，互斥就是指一个锁一次只能被一个线程持有，也就意味着临界区代码同一时刻只能被持锁线程执行。因此，持锁线程执行临界区期间没有其他线程能够访问相应的共享数据，也就具备了原子性。
可见性的保障是通过写线程冲刷处理器缓存和读线程刷新处理器缓存这两个动作实现的。Java平台的锁获得后在执行临界区代码前可以将写线程对共享变量所做的更新同步到该线程执行处理器的高速缓存中；锁释放时会执行冲刷处理器缓存，这使得写线程对共享变量所做的更新能够被“推送”到该线程执行处理器的高速缓存中，从而对读线程可同步。

锁对可见性、原子性和有序性的保证是有条件的，需要满足以下亮点：

• 这些线程在访问同一组共享变量的时候必须使用同一个锁。
• 这些线程即便是对共享变量只读时也必须获取锁。

上边两条有一个不满足都会使原子性、可见性和有序性没有保障。

锁相关的几个概念

1. 可重入性

下图是个伪代码，调用methodA方法时申请到lock锁，然后临界区代码中调用methodB方法，methodB方法也使用lock进行加锁。这时候就有一个问题啦：methodA的执行线程持有lock锁的时候调用methodB，那么methodB执行的时候又去申请锁lock，而lock此时正被当前线程持有（未被释放）。那么，此时methodB究竟能否获得lock呢？可重入性就是讲的这个问题。

2. 锁的争用与调度

Java锁的调度分为公平策略和非公平策略，相应的锁称为公平锁和非公平锁。内部锁是非公平锁，显示锁既支持公平锁也支持非公平锁。

3. 锁的粒度

一个锁所保护的共享数据大小称为锁的粒度。
锁的粒度过大会导致无所谓的等待。
锁的粒度过小会增加调度的开销。

锁的开销

锁的开销主要包括申请锁和释放锁，以及锁竞争引发的上下文切换的开销。这些开销主要是处理器时间。
锁可能导致上下文切换，多个线程争用排他性资源可能导致上下文切换。因此，锁作为一种排他性资源，一旦争用就可能导致上下文切换。

上下文切换

简单解释下上下文切换，上下文切换是指线程在时间片用完或者其自身的原因（比如，他需要稍后在继续运行）暂停其运行时，另一个线程可以被操作系统（线程调度器）选中占用处理器开始或者继续其运行。这种一个线程被暂停，即被剥夺处理器的使用权，另一个线程被选中开始或者继续运行的过程就叫做线程上下文切换。

这里的上下文是指计算的中间结果以及执行到哪条指令。其实这很类似我们打电话，说到一半来了另外一个重要电话，

内部锁：synchronized关键字

Java平台每个类都有个一个内部锁，内部锁是一种排他锁，能够保证原子性、可见性和顺序性。
内部锁是通过synchronized关键字实现的，synchronized可以给方法和代码块加锁。
语法如下：

锁句柄是一个对象的引用，可以写this表示当前对象，我们习惯称为锁句柄为锁。
作为锁句柄的变量一般要求final修饰。因为如果不实用final修饰可能这个变量会被修改，导致多个线程使用的锁句柄不一致，导致这个锁失效。有鉴于此，也会用private修饰。
一个线程访问synchronized修饰的方法或者代码块时，jvm会代为尝试申请锁，获取锁后执行完临界区代码或者出现异常时jvm也会自动释放锁，避免出现锁泄漏的问题。这也就是被称为内部锁的原因。

内部锁的调度

jvm会为每个内部锁分配一个入口集，用于存储等待获取相应内部锁的线程。多个线程竞争一个内部锁的时候，只有一个线程能得到锁，剩下的线程就会存储在入口集中。这个内部锁被释放后，入口集中的任意一个线程会被jvm唤醒，从而得到再次申请锁的机会。由于内部锁仅支持非公平锁，所以如果这时候有个不在入口集的活跃线程也去竞争这个锁，入口集被唤醒的线程与不在入口集的活跃线程会竞争这个内部锁，都有可能拿到这个锁。具体实现是当一个不在入口集的活跃线程想获取锁时，先试图插队，如果占用锁的线程释放了锁，被唤醒的线程还没来得及拿锁，那么不在入口集的活跃线程就可以直接获取锁；如果锁被其他线程占用，那就进入口集，和其他入口集线程等待唤醒再次争夺锁。
jvm从一个内部锁的入口集中选择一个等待线程，作为下一个可以参与再次申请内部锁的线程与jvm的具体实现有关：这个被选中的线程可能是入口集中等待时间最长的线程，也可能是等待时间最短的线程，或者完全是随机的一个线程。因为不能依赖这个具体的选择算法。