java高级-深入理解锁的实现原理

深入理解锁的实现原理（一）

一：分类

1.公平锁/非公平锁

• 公平锁就是多个线程按照申请锁的顺序来获取锁的。
• 非公平锁就是多个线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序，有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取锁，可能会造成饥饿现象。
• ReentrantLock锁，通过构造函数指定该锁是否是公平锁，默认是非公平的锁
• Synchronized锁，也是非公平的锁无法变为公平锁

2.可重入锁

又称为递归锁，指什么是 “可重入”，可重入就是说某个线程已经获得某个锁，可以再次获取锁而不会出现死锁。

• ReetrantLock锁是可重入锁，名称是RE enttant Lock
• Synchronized锁也是可重入锁

3.独享锁/共享锁

• 独享锁是该锁一次只能被一个线程所持有
• 共享锁指的是该锁可以被多个线程所持有
• RenntrantLock锁与synchronized都是独享锁
• Lock类的另一实现类ReadWriteLock，其读锁是共享锁，而写锁是独享锁，读锁的共享锁可以保证并发读的高效性，读写、写读、写写的过程是互斥的

4、互斥锁/读写锁：
3中的锁是一个广义的说法，互斥锁/读写锁是具体的实现

• 互斥锁在Java中的具体实现是ReentrantLock
• 读写锁在java中的具体实现是ReadWriteLock

5、乐观锁/悲观锁：
指的是看待并发同步的角度

• 悲观锁认为对于同一个数据的并发操作，一定是会发生修改的，哪怕没有修改，也会认为修改。因此对于同一个数据的并发操作，悲观锁采取加锁的形式。悲观的认为，不加锁的并发操作一定会出问题

• 乐观锁则认为对于同一个数据的并发操作，是不会发生修改的。在更新数据的时候，会采用尝试更新，不断重新的方式更新数据。乐观的认为，不加锁的并发操作是没有事情的

• 悲观锁适合写操作非常多的场景，而乐观锁适合读操作非常多的场景，不加锁会带来大量的性能提升，悲观锁在Java中的使用就是利用各种锁，乐观锁在java中使用则是无锁编程，采用CAS算法，例如原子类，通过CAS自旋实现原子操作的更新
  6、分段锁：
  分段锁是一种锁的设计，并非具体的锁

• 对于ConcurrentHashMap在并发的实现是通过分段锁的形式来实现高效并发操作的

• ConcurrentHashMap的分段锁成为Segment，类似于HashMap的结构，内部拥有一个Enrty数组，数组的每个元素是一个链表；同时又是一个RenntrantLock（Segment继承了ReentrantLock）

• 当需要put元素时，只要不是放在同一个分段中，即可并行插入，而在统计size时，则需要获取所有分段锁

• 分段锁的设计目的是细化锁的粒度，当操作不需要更新整个数组的时候，就仅仅针对数组的一项进行加锁操作
  7、偏向锁/轻量级锁/重量级锁：
  这三种锁的状态是针对Synchronized而引入的，通过对象监控在对象头中的字段来表明状态

• 偏向锁：指一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁，降低获取锁的代价

• 轻量级锁：指当锁是偏向锁时，被另一个线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，提高性能

• 重量级锁：指当锁是轻量级锁时，另一个线程虽然自旋，但自旋不会一直持续下去，当自旋到一定次数时，还没获取到锁，就会进入阻塞，该锁膨胀为重量级锁，重量级锁会让其他申请的线程进入阻塞，性能降低

  8、自旋锁：

  自旋锁是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁，这样的好处是减少线程上下文切换的消耗，缺点是循环会消耗CPU

二、Synchronized锁的实现原理：
用途：synchronized同步锁可以保证方法或者代码块在运行时，同一时刻只有一个线程可进入到临界区（互斥性）同时还保证共享变量的内存可见性
使用场景：

1. 修饰一个代码块，被修饰的代码块称为同步语句块，其作用的范围是大括号{}括起来的代码，作用的对象是调用这个代码块的对象；
2. 修饰一个方法，被修饰的方法称为同步方法，其作用的范围是整个方法，作用的对象是调用这个方法的对象；
3. 修改一个静态的方法，其作用的范围是整个静态方法，作用的对象是这个类的所有对象；
4. 修改一个类，其作用的范围是synchronized后面括号括起来的部分，作用主的对象是这个类的所有对象

原理综述：
Synchronized是JVM实现的一种锁，其中锁的获取和释放分别是monitorenter和monitorexit指令，该锁在实现上分为了偏向锁、轻 量级锁和重量级锁，其中偏向锁在1.6是默认开启的，轻量级锁在多线程竞争的情况下会膨胀成重量级锁，有关锁的数据都保存在对象头中。在 JVM中，线程一旦进入到被synchronized修饰的方法或代码块时，指定的锁对象通过某些操作将对象头中的LockWord指向monitor 的起始地址与之关联，同时monitor 中的Owner存放拥有该锁的线程的唯一标识，确保一次只能有一个线程执行该部分的代码，线程在获取锁之前不允许执行该部分的代码。

synchronized的字节码表示：在Java中存在两种内建的synchronized语法：1、synchronized语句；2、synchronized方法

1. synchronized语句：当Java源代码被javac编译成字节码时，会在同步块的入口位置和退出位置分别插入monitorenter和monitorexit字节码指令
2. synchronized方法：synchronized方法则被解析成普通方法的方法调用和返回指令，如：ACC_SYNCHRONIZED，invokevirtual、areturn指令等，在JVM字节码层面并没有任何特别的指令来实现被synchronized修饰的方法，而是在Class文件发方法表中将该方法的access_flags字段中的synchronized标志位置1，表示该方法是同步方法并使用调用该方法或者该方法所属的Class在JVM的内部对象表示Klass作为锁对象

对象头：
在hotspot虚拟机中，对象在内存的分布分为3个部分：对象头，实例数据，和对齐填充。

1. mark word被分成两部分，lock word和标志位。
2. Klass ptr指向Class字节码在虚拟机内部的对象表示的地址。
3. Fields表示连续的对象实例字段。

对象头

monitor：
monitor是线程私有的数据结构，每个线程都有一个可用monitor列表，同时还要一个全局的可用列表，monitor列表包括：

1. Owner：初始时为NULL表示当前没有任何线程拥有该monitor，当线程成功拥有该锁后保存线程唯一标识，当锁被释放时又设置为NULL
2. EntryQ：关联一个系统互斥锁（semaphore），阻塞所有试图锁住monitor失败的线程。
3. RcThis：表示blocked或waiting在该monitor上的所有线程的个数
4. Nest：用来实现重入锁的计数
5. HashCode：保存从对象头拷贝过来的HashCode值（可能包括GC age）
6. Candidate：用来避免不必要的阻塞或等待线程唤醒，因为每一次只有一个线程能够成功拥有锁，如果每次前一个释放锁的线程唤醒所有正在阻塞或等待的线程，会引起不必要的上下文切换（从阻塞到就绪然后因为竞争锁失败又被阻塞）从而导致性能严重下降。Candidate只有两种可能的值：0表示没有需要唤醒的线程，1表示要唤醒一个继任线程来竞争锁。

获取锁（monitorenter）的大概过程：

1. 对象处于无锁状态时（LockWord的值为hashCode等，状态位为001），线程首先从monitor列表中取得一个空闲的monitor，初始化Nest和Owner值为1和线程标识，一旦monitor准备好，通过CAS替换monitor起始地址到LockWord进行膨胀。如果存在其它线程竞争锁的情况而导致CAS失败，则回到monitorenter重新开始获取锁的过程即可。
2. 对象已经膨胀，monitor中的Owner指向当前线程，这是重入锁的情况（reentrant），将Nest加1，不需要CAS操作，效率高。
3. 对象已经膨胀，monitor中的Owner为NULL，此时多个线程通过CAS指令试图将Owner设置为自己的标识获得锁，竞争失败的线程则进入第4种情况。
4. 对象已经膨胀，同时Owner指向别的线程，在调用操作系统的重量级的互斥锁之前自旋一定的次数，当达到一定的次数如果仍然没有获得锁，则开始准备进入阻塞状态，将rfThis值原子加1，由于在加1的过程中可能被其它线程破坏对象和monitor之间的联系，所以在加1后需要再进行一次比较确保lock word的值没有被改变，当发现被改变后则要重新进行monitorenter过程。同时再一次观察Owner是否为NULL，如果是则调用CAS参与竞争锁，锁竞争失败则进入到阻塞状态

释放锁（monitorexit）的大概过程：

1. 检查该对象是否处于膨胀状态并且该线程是这个锁的拥有者，如果发现不对则抛出异常。
2. 检查Nest字段是否大于1，如果大于1则简单的将Nest减1并继续拥有锁，如果等于1，则进入到步骤3。
3. 检查rfThis是否大于0，设置Owner为NULL然后唤醒一个正在阻塞或等待的线程再一次试图获取锁，如果等于0则进入到步骤4。
4. 缩小（deflate）一个对象，通过将对象的LockWord置换回原来的HashCode等值来解除和monitor之间的关联来释放锁，同时将monitor放回到线程私有的可用monitor列表。

内存可见性：

1. 线程释放锁时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中。
2. 线程获取锁时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效，从而使得被监视器保护的临界区代码必须从主内存中读取共享变量

区别：

• synchronized修饰不加static的方法，锁是加在单个对象上，不同的对象没有竞争关系；
• 修饰加了static的方法，锁是加载类上，这个类所有的对象竞争一把锁。

代码必须从主内存中读取共享变量

区别：

• synchronized修饰不加static的方法，锁是加在单个对象上，不同的对象没有竞争关系；
• 修饰加了static的方法，锁是加载类上，这个类所有的对象竞争一把锁。