java——无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁的synchronize锁升级笔记
本章所需基础知识：
- 懂得多线程和锁的基础知识就行
- 或者看完我上一篇的《java多进程和多线程简单复习（不涉及原理）》就可以了
如果没基础建议别看
推荐视频：
B站马士兵老师的视频：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁的锁升级
本文章目录：
- 几个概念和细节
- 对象在内存中的存储布局和工具JOL
- 偏向锁的概念和出现原因
- 自旋锁（轻量级锁，属于乐观锁、非阻塞同步）
- 重量级锁（阻塞同步、悲观锁
- 锁升级（synchronize锁的自动升级）
本章部分图片照旧用网课的图，太懒，侵权请通知我
一、几个概念和细节：
重量级锁和非重量级锁的区别：
重量级锁需要申请资源时 ，必须通过内核（kernel），由操作系统来调用
用户态与内核态简单概念：
用户态：一般的普通程序只在JVM中运行，不经过操作系统的内核。
内核态：使用到重量级锁、映射、网络等，经过了操作系统的内核。
（后面简称操作系统OS）
synchronized在JDK1.6以前是重量级锁，在1.6以后有了优化，现在是自动的锁升级，现在则是看JVM的两个参数决定最初是偏向锁或轻量级锁
现在先来理清几个细节：
- synchronize的锁升级是JVM自动实现的
- 轻量级锁别称：自旋锁、
无锁（无重量锁，建议少用这个别称） - （重点）轻量级锁的实现原理是CAS，CAS的底层实现是汇编语言的lock cmpxchg这条极其极其重要的命令。
- CAS全称是Compare And Swap，也有说是Compare And Exchange。CAS即比较和交换。
二、对象在内存中的存储布局和工具JOL
————要了解锁的底层实现，那必须先了解对象在内存中到底是什么样的。
上个内存图先：
对象在内存中的存储布局就是上面那样。
解释一波：
普通对象分四个部分：
- （重点）markword：八个字节。标志字，即常说的对象头。这章的重点，锁相关的操作就在这里。
- 类型指针：四个字节。记录自己是什么类型的
- 实例数据：具体大小不定，空则是0字节
- 对齐：或者说补齐，（0到7个字节）。当上面三部分的总字节数不是八的倍数时，自动补齐到八的倍数，方便系统操作记录
所以一个普通对象的最小的字节是16个字节：8+4+0+4（补齐）
数组对象分五个部分：（比普通对象就了多一个数组长度）
- markword
- 类型指针
- 数组长度：四个字节
- 实例数据
- 对齐
工具JOL:
学习本章需要的工具JOL（一个jar包），查看对象的内存数据用的，不然你怎么知道它是偏向锁还是其他锁，它又不会长嘴告诉你。
有maven的：往你的项目pom.xml中的
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.9</version>
</dependency>
没有maven的，jar包资源（我的百度网盘，放心无毒免费永久）：
jol的jar包，点击直达
链接：https://pan.baidu.com/s/1Ps0aZi4awDh_Pvy1Rkhl3A
提取码：h4j8
有没有maven的，也都可以自己去中央仓库这里挑版本：
maven中央仓库点击直达jol
链接：https://mvnrepository.com/artifact/org.openjdk.jol/jol-core
三、偏向锁的概念和出现原因
谈到锁就先简单看下这张图：
这图是对象的对象头（markword）表示意义图
先简单知道对象头最低位字节的锁标志位：（不用背，方便学习而已）
- 001：无锁态（没上锁的对象）
- 101：偏向锁
- 00：轻量级锁
- 10：重量级锁
- 11：GC标记信息：垃圾收集器相关的
概念：偏向某一个线程（首个使用它）的锁，给线程只加一次锁，该线程重复调用加锁对象时只对比线程ID号，一致则直接通过，不用重复加锁。 不经过OS的调度。
简单理解：只为一个线程服务的锁（如果没竞争），不经过OS内核
底层实现：
将该线程的ID直接写进要上锁对象的markword（对象头）中的最低位字节里第二部分（31个字节那里），锁标志位改为101，就完事了。
偏向锁出现的原因：
JDK团队统计时发现一种现象：OS在同一个任务里，在没有其他线程竞争的时候，重复给同一个线程上锁解锁。这不瞎搞么，浪费资源。
例如：StringBuffer的多次append，加来加去都是同个线程在执行append命令（一般情况下），OS在每次append时都要给该线程重复加锁解锁，这就很浪费了。
四、自旋锁（轻量级锁）
4.1概念
概念：线程在尝试获取锁失败后不会立即阻塞，而是执行空循环一段时间，然后会再次尝试获取锁的，一直重复这两个步骤（不断自旋），直到 达到某个条件线程才会挂起（wait） 或者 获取到锁。
小细节：使用重量级锁时，没抢到锁的所有线程都会立马wait
简单说：其他线程没抢到锁后，不放手CPU资源，休息一会后，继续抢好多次锁，不会立马睡觉（wait）
自旋锁是偏向锁的升级，偏向锁是一个线程的，自旋锁是多个线程的，它不偏向任何一个线程，也不经过内核。靠CAS来实现的。
优点：减少线程切换的消耗，不经过OS，不用多次wait
缺点：每个线程抢锁失败一次就空循环一次，消耗CPU.
适用场景：
- 临界代码段的操作不能过于复杂，不然一次执行完外面全wait了，没意义还多了消耗
- 总线程数不能太大。不然抢锁失败的n-1个线程空循环一次就够你电脑遭罪了（例如5000个）
4.2 CAS的原理实现（特地上标题，重点）
流程图：
多线程操作共享变量时，首先得抢锁，那么：
问题1：怎么判断该线程抢到了锁？
问题2：怎么保证同一时间只有一个线程抢到锁（多CPU）？
问题1，CAS是这样实现的：
- 将 主运行空间的共享变量的当前值E 存到自己的缓存文件中（E2）
- 然后执行线程要做的操作，得出结果V。
- 接着再读一次 主运行空间的共享变量的当前值E ，将新的E与缓存文件的E2进行对比是否一致
- 相同则表示该线程抢到锁了，将该线程的结果V写进共享对象，结束本次操作。（这里有个ABA问题）
- 不同则表示抢锁失败，回到第一步重新抢锁。
3步骤对比的意义：看看其他线程有没有在自己线程执行计算的过程里就抢锁成功，修改过E了，避免脏读
ABA问题：E和E2对比相同是不能保证百分百保证，其他线程没有在自己线程执行计算的过程里抢锁成功过。有可能其他线程操作后新E值和旧E值一样！
ABA问题解决：在E对象里加个操作次数变量就行，每次判断时对比两个，E和操作次数就OK了，因为ABA问题中就算E相同操作次数也绝不相同
问题2：怎么保证同一时间只有一个线程抢到锁（多CPU）？
你可能疑惑都有两个对比变量E和操作次数了，不只能一个抢到锁么，怎么还有这种问题？
出现这种问题的原因在于两个：
- 在对比两个都成功，和写入结果V（改变操作次数），是多个操作命令！存在时间间隔。
- 当多个CPU在同一时间对比成功，那么他们就同时抢到锁了。这是多核即多CPU才会出现的（单核没这问题），因为多CPU是分开的，可以真正的并发！
CAS是这样解决问题2的：底层加锁
汇编语言的lock cmpxchg这条极其极其重要的命令
lock命令：
如果是单CPU，lock不加锁
如果是多CPU，lock加锁
多CPU时 lock命令锁住了一个北桥信号保证了单个线程执行这个cmpxchg命令(即对比和写入）
不采用锁总线的方式
注意点：这时的底层加锁并没有经过操作系统内核！
lock cmpxchg底层实现是跟系统和版本都有关的，略有差别。
4.3 自旋锁的分类
1.按膨胀条件（即升级条件）分为：简单自旋锁和自适应自旋锁：
简单自旋锁：就上面那样
自适应自旋锁：比简单自旋锁多了个功能，能够自动调整自旋次数这个参数，即升级重量级锁的条件。 后面再详写。
自适应自旋锁解决的是“锁竞争时间不确定”的问题。即根据实际情况去决定是多自旋几次再wait，还是少自旋几次再wait
简单说就是更灵活点，别所有没抢到的线程傻乎乎的自旋同样次数，给线程分了“天赋”：抢成功锁的几率大不大，大就多自旋几次，小就扣它生命值（自旋次数），趁早让它挂掉（wait），别浪费老子CPU资源。
2.按能否重入分类：可重入自旋锁和不可重入自旋锁
可重入是什么意思呢？
可重入锁，也叫做递归锁，指的是可以多次对同一个锁进行加锁操作，而不会被阻塞。即持有锁的线程在未释放掉锁的情况下，能否继续多次获取这把锁的意思。
举个例子：现在有三个方法，a（）、b（）、c（），我把这三个方法都用synchronized（“k”）锁住，这就是同一把锁，然后用线程 T 抢到 k 锁，进去 a方法，然后 T 在 a 里面又去调用 b 方法和 c 方法，能调用成功的就是可重入，不能成功的是不可重入。
简单说：就是你在店里办了会员卡，在他家的其他连锁店能不能用，能用是可重入（麦当劳的会员卡），不能用是不可重入（大部分健身房会员卡）。
- 在锁对象的markword的前62位里，锁对象的Lock Record指针是指向线程栈里的lock record指针。
- 线程重入一次，就在抢到锁的线程的线程栈里写一次记录，解锁一次就消除一个记录，记录空了就是完全解锁。
- 没清空的话，其他线程还是抢不到锁的。
可重入锁与不可重入锁这块下面的博主讲的不错，还有代码例子：
深山猿的博客，点击直达
https://blog.csdn.net/h2604396739/article/details/81255028
五、重量级锁（悲观锁）
重量级锁(互斥锁)也称为阻塞同步、悲观锁，在JVM中又叫对象监视器（Monitor），它很像C中的Mutex。它至少包含一个竞争锁的队列（entityset），和一个信号阻塞队列（waitset），前者负责做互斥，后一个用于做线程同步。
重量级锁是依赖对象内部的monitor锁来实现的，而monitor又依赖操作系统的MutexLock(互斥锁)来实现的，所以重量级锁也称为互斥锁
重量级锁开销很大的原因：
当系统检查到锁是重量级锁之后，在每次抢锁的流程中，都会把所有没抢到锁的线程进行阻塞，等锁被释放后又会唤醒所有线程，重新抢锁。
虽然被阻塞的线程不会消耗cpu，但线程的切换是需要从用户态转换到内核态，而转换状态是需要消耗很多CPU时间的（微观的很多，相对而言）。
上面重量锁很长的概念是引用的下面两个博主的话（别问，问就是虎）：
三名狂客，点击直达
不羁朔风，点击直达
简单说就是：重量级锁是由OS调度的，有竞争锁队列和等待队列，每次抢锁，失败的线程全部立即wait，等锁释放后全部唤醒，这消耗可想而知是很大的。
重量级锁的底层实现是objectMonitor.hpp（C++层面的） 我也没多少了解，这里就不写了，有兴趣的自己去扒扒。
这里知道重量级锁的锁标志位是11，由OS调度，有两个队列，线程切换频繁，消耗很大就好
六、锁升级（synchronize锁的自动升级）
本章的锁升级其实就是在讲JDK团队对synchronize锁的优化成果：synchronize锁的自动升级
首先讲条synchronize的升级主线（一般情况下）：
new ——> 普通对象——> 偏向锁 ——> 自旋锁（轻量级锁 ） ——> 重量级锁
主线：
- new ——> 普通对象：你简单new了个对象，不加锁，即无锁态（001）
- 普通对象——> 偏向锁： 你给普通对象加了个synchronize锁，一开始就是偏向锁（101）。（这里不是绝对是偏向锁，暂定问题3）
- 偏向锁 ——> 自旋锁（轻量级锁 ，00）：JVM发现有第二个线程去竞争该上锁对象，自动将上锁对象的markword里的线程ID 撕下来（锁撤销），进行升级，重新给该对象上个自旋锁，然后再让想要这把锁的两个（或多个）线程去重新竞争。
- 自旋锁（轻量级锁 ） ——> 重量级锁（10）：当JVM发现线程竞争激烈的时候，就把自旋锁升级为重量级锁。判断竞争激烈的标准有两个。一是竞争的线程里有某个线程自旋的次数超过10次，二是wait的线程个数超过总CPU数的一半（例如，八核就5个）。自旋10次和一半wait的标准是普通自旋锁的升级条件，而自适应自旋锁的就看调优的算法和实际情况而定的）
问题3：一开始给普通对象加锁为什么有可能不是偏向锁？
JVM对于偏向锁有六个参数，这里涉及其中两个：
- UseBiasedLocking（使用偏向锁参数）：默认是true。这个参数实际意思是 ——JVM是否默认 synchronize最开始启动的是偏向锁。
- BiasedLockingStartupDelay（偏向锁启动延时参数）：默认是4秒
第一个参数就不用继续解释了，最开始肯定默认使用最省CPU资源的锁
第二个参数BiasedLockingStartupDelay（偏向锁启动延时参数） 为什么要存在？换句话说为什么不直接启动偏向锁，而多此一举的延时4秒？
原因是这样的：
如果有某些加锁对象是JVM（或者说是你）非常确信且肯定它不会只有一个线程去使用，而是一定会被很多线程去竞争！ （例如运行空间的内存分配，或者你直接设定了多线程竞争）
那么你还有给它上偏向锁的需求吗？加了反而还要去进行锁撤销、锁升级的浪费资源操作，这就是延时四秒的意义。
在JVM启动后的四秒内，如果有线程竞争你想上锁的对象，那么该对象直接上自旋锁（轻量级锁）！没有竞争才去给它上偏向锁。（ 这就是上图的普通对象——> 自旋锁（轻量级锁 ）的路线）
那么来讲讲上图的new——>匿名偏向是怎么一回事：
当你new了一个对象然后给它加了个synchronize锁（默认最初偏向锁），然后你又没有用线程去使用这把锁（起码刚开始没用到它），那么在JVM启动四秒后，JVM得给它加偏向锁啊，可又没有那个线程去使用它，这时JVM就给它加匿名偏向锁。
简单说你给对象加了synchronize锁，却没有去使用它（起码四秒内没用到它这把锁），那么就是匿名偏向锁。
匿名偏向锁很简单，就是没有把线程ID写进对象锁的对象头（markword）里的偏向锁。 当首个用到它的线程时，就把该线程的ID写进去。匿名偏向锁是可重偏向的偏向锁。
题外话——————————
锁从宏观上分类，分为悲观锁与乐观锁。
乐观锁
乐观锁是一种乐观思想，认为读多写少，遇到并发写的可能性低。
每次去拿数据的时候都认为别人没修改过，所以不会提前上锁。
在执行完线程操作后，更新的时候再去判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据。
采取在写时先读出当前值，然后加锁操作，再去对比（比较跟上一次的版本号，如果一样则更新），如果失败则要重复读-比较-写的操作。
java中的乐观锁基本都是通过CAS操作实现的。
悲观锁
悲观锁是就是悲观思想，即认为写多，遇到并发写的可能性高。 每次去拿数据的时候都认为别人修改过了，所以每次在读写数据的时候都会上锁，这样别人想读写这个数据就会阻塞，直到拿到锁。
简单说：
乐观锁则是大家一起随便读取共享变量，等到我执行完所有操作后，再给共享变量加锁，我再开始对比和写入（或者只读不写）。（适用于读多的情况，读多写少）
悲观锁在最开始读取共享变量的时候，就给共享变量加锁了，然后执行完全部操作再解锁。（适用于写多的情况）
乐观锁：大家都是好朋友，信你们比我慢，不慌
悲观锁：大家都是单身二十年的手速，苟来的，不加锁还写不了了
差别就是加锁的时机。 乐观锁的优点是阻塞比悲观锁少，缺点是没抢到锁的线程会白白执行一遍你想要的操作；悲观锁的缺点则是一个线程读取了共享变量，其他线程全部歇菜，没得读，但是却不会出现执行了一遍线程操作却拿不到锁的浪费资源情况。
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class HelloJOL {
public static void main(String[] args) {
new HelloJOL();
}
public HelloJOL(){
Object o = new Object();
String s = ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable();
System.out.println(s);
//默认四秒后启动偏向锁例子
// BiasedLockingDelay();
//四秒内启动，轻量级锁例子
// LightweightLocking();
}
/*笔记
new 到 未启动偏向锁的普通对象： 线程启动后 四秒内 创建的普通对象
new 到 匿名偏向锁的对象：线程启动后 四秒后 创建的对象，且没有指定线程去使用这个对象（即默认上偏向锁了，却不知上给谁）
*/
//默认四秒后启动偏向锁例子
public void BiasedLockingDelay(){
try {
Object o = new Object();
String s = ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable();
System.out.println(s);
//默认四秒后启动偏向锁例子，查看对象头最低位字节（即下面打印最前面的字节）的后三位
// 是不是从上面的（无锁态）001 变成 （偏向锁）101
TimeUnit.SECONDS.sleep(5); //多睡一秒
Object o2 = new Object();
String s2 = ClassLayout.parseInstance(o2).toPrintable();
System.out.println(s2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//jvm启动四秒内加锁，直接加轻量级锁例子
public void LightweightLocking(){
Object o = new Object();
String s = ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable();
System.out.println(s);
//默认四秒后启动偏向锁例子，查看对象头最低位字节（即下面打印最前面的字节）的后三位
// 是不是从上面的（无锁态）001 变成 后两位的（轻量级锁）00
Object o2 = new Object();
synchronized (o2){
System.out.println("jvm启动四秒内加锁，直接加轻量级锁");
String s2 = ClassLayout.parseInstance(o2).toPrintable();
System.out.println(s2);
}
//如果结果是101（偏向锁），那是你机器太慢了，超过四秒，就只打印加锁的，删了对比那些代码
//不能在同步代码外打印，因为在外面打印时线程已经结束了，o2解锁，变成无锁态了（001）
// String s2 = ClassLayout.parseInstance(o2).toPrintable();
// System.out.println(s2);
}
}
偏向锁和自旋锁启动例子，点击直达
就上面那段，一样的
链接：https://pan.baidu.com/s/17QS6zG2oDzppaKbt8RiOrA
提取码：m1qh
其他的就不演示了，别问，问就是lan
如有错误，请不吝指正，学这个真是脑阔热，不如吃鸡