syncronized的实现原理

相关概念

线程安全的主要诱因

1. 存在共享数据（临界资源）。
2. 多个线程共同操作共享数据。

解决问题的根本方法：
同一时刻只有一个线程操作共享数据，其他线程必须等待该线程操作完数据后再对共享资源进行操作。

互斥锁

特性

1. 互斥性：同一时刻只有一个线程持有某个对象锁。也称操作原子性。
2. 可见性：锁释放之前，对共享数据的修改，对于后一个获取该锁的线程是可见的。即后一个线程获取该锁时应获得共享数据的最新值。由于JMM，每个线程都有自己的工作内存，会保存主内存的数据副本。

syncronized

syncronized 是满足互斥锁的特性。
注意：syncronized锁的都不是代码，而是对象。

获取锁的方式

根据获取的锁来分类：对象锁和类锁。

获取对象锁的方式：

1. 同步代码块（syncronized(this),syncronized(类实例对象)）。锁的是()中的实例对象。
2. 同步非静态方法（syncronized method），锁的是当前对象的实例对象。

获取类锁的方式：

1. 同步代码块（syncronized(类.class)）。锁的是()中的类对象（Class对象）。
2. 同步非静态方法（syncronized static method），锁的是当前对象的类对象（Class对象）。

不同锁的不同表现

1. 有线程访问对象的同步代码块时，另外的线程可以访问该对象的非同步代码块。
2. 若锁住的同一个对象，一个线程在访问同步代码块时，另一个访问这个对象同步代码块的线程会被阻塞。
3. 若锁住的同一个对象，一个线程在访问同步方法块时，另一个访问这个对象同步方法的线程会被阻塞。
4. 若锁住的同一个对象，一个线程在访问同步方法块时，另一个访问这个对象同步代码块的线程会被阻塞。反之亦然。

       RunnaleDemo runnaleDemo = new RunnaleDemo();
      // 该场景，第二个线程会阻塞
       new Thread( runnaleDemo ,"a").start(); //该线程访问这个对象同步代码块

       new Thread(runnaleDemo ,"b").start() //该线程访问这个对象同步代码块

5. 同一个类不同的对象，互相不受干扰。

       // 该场景，两个线程不会阻塞
       new Thread( new RunnaleDemo(),"a").start(); //该线程访问同步代码块

       new Thread( new RunnaleDemo(),"b").start() //该线程访问同步代码块

6. 类锁也是一个特殊的对象锁，因此表现和上述1、2、3、4一致。而由于一个类只有一把对象锁，所以同一个类的对象使用类锁将会是同步的。

       // 该场景，第二个线程会阻塞
        new Thread( new RunnaleDemo(),"a").start(); //该线程访问静态同步代码块

        new Thread( new RunnaleDemo(),"b").start() //该线程访问静态同步代码块

8. 类锁和对象锁互不干扰。若线程A锁住了一个对象，另一个线程B访问静态同步代码块并不会阻塞。

       // 该场景，两个线程不会阻塞
        new Thread( new RunnaleDemo(),"a").start(); //该线程访问同步代码块

        new Thread( new RunnaleDemo(),"b").start() //该线程访问静态同步代码块

       // 该场景，两个线程不会阻塞
        RunnaleDemo runnaleDemo = new RunnaleDemo();

        new Thread(runnaleDemo,"a").start(); //该线程访问同步代码块

        new Thread(runnaleDemo,"b").start(); //该线程访问静态同步代码块

底层实现

syncronized实现有两个基础

1. Java对象头
2. Monitor

对象头

对象在内存的布局：
- 对象头
- 实例数据
- 对其填充

对象头分两部分

对象头结构	说明
Mark Work	存储对象的hashcode，分代年龄，锁状态标识，线程持有的锁、偏向线程ID、是否偏向等信息。
Class Metadata Address	类型指针指向对象的类元数据，JVM通过这个确定这个对象属于哪个类。

Monitor

每个Java对象都有一个Monitor。
Monitor包含 锁池、等待池、owner、count 。
owner默认为NULL，当有线程获取该对象锁时，owner指向获取该对象锁的线程。
count默认0，用来计数。执行monitorenter获取则+1,释放锁monitorexit则-1。

syncronized关键字解析只会，会在同步代码块前后形成monitorenter和monitorexit这两个字节码。

Java线程是映射到操作系统的原生线程上的，如果要阻塞或唤起一个线程，都需要操作系统来帮忙，这就需要从用户态转换到核心态，因此线程状态转换需要消耗很多处理器时间。所以，syncronized是一个重量级锁。不过JDK6以后，JVM已对其做了优化，譬如自旋锁、自适应自旋锁、锁粗化、偏向锁、锁消除、轻量级锁等，使其性能得到很大的提升。

锁优化

自旋锁和自适应锁

自旋锁

通过让线程执行忙循环等待锁释放，不让出CPU资源，避免线程切换。
缺点：若锁被其他线程占用太长时间，会带来更大的性能开销，白白消耗CPU资源。

自适应自旋锁

• 自旋次数不固定
• 由前一次在同一个锁上的自旋时间和锁的拥有者状态来决定。

锁消除

JIT编译时，对运行上下文扫描，去除不可能存在竞争的锁。

锁粗化

通过扩大加锁范围，避免反复加锁和解锁。

syncronized的四种状态

• 无锁
• 偏向锁：减少同一个线程获取锁的代价。–>大多数情况下，锁不存在竞争，且总由同一个线程获取。
  一个线程获取锁，就进入偏向锁。此时对象头的Mard word就变成偏向结构，记录了该线程ID。当该线程再次请求锁时，只需检查mark Word是不是偏向锁以及线程ID是否与markword中一致。
• 轻量级锁
  当有其他线程竞争偏向锁状态的对象时，偏向锁就升级成轻量级锁。
• 重量级锁