Java中的锁原理、锁优化

一、为什么要用锁？

锁-是为了解决并发操作引起的脏读、数据不一致的问题。

二、锁实现的基本原理

2.1、volatile

Java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。Java语言提供了volatile，在某些情况下比锁要更加方便。

volatile在多处理器开发中保证了共享变量的“ 可见性”。可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值。

结论：如果volatile变量修饰符使用恰当的话，它比synchronized的使用和执行成本更低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度。

2.2、synchronized

synchronized通过锁机制实现同步。

先来看下利用synchronized实现同步的基础：Java中的每一个对象都可以作为锁。

具体表现为以下3种形式。

对于普通同步方法，锁是当前实例对象。
对于静态同步方法，锁是当前类的Class对象。
对于同步代码块，锁是Synchonized括号里配置的对象。

当一个线程试图访问同步代码块时，它首先必须得到锁，退出或抛出异常时必须释放锁。

2.2.1 synchronized实现原理

synchronized是基于Monitor来实现同步的。

Monitor从两个方面来支持线程之间的同步：

互斥执行
协作

1、Java 使用对象锁 ( 使用 synchronized 获得对象锁 ) 保证工作在共享的数据集上的线程互斥执行。

2、使用 notify/notifyAll/wait 方法来协同不同线程之间的工作。

3、Class和Object都关联了一个Monitor。

Monitor 的工作机理

线程进入同步方法中。
为了继续执行临界区代码，线程必须获取 Monitor 锁。如果获取锁成功，将成为该监视者对象的拥有者。任一时刻内，监视者对象只属于一个活动线程（The Owner）
拥有监视者对象的线程可以调用 wait() 进入等待集合（Wait Set），同时释放监视锁，进入等待状态。
其他线程调用 notify() / notifyAll() 接口唤醒等待集合中的线程，这些等待的线程需要重新获取监视锁后才能执行 wait() 之后的代码。
同步方法执行完毕了，线程退出临界区，并释放监视锁。

2.2.2 synchronized具体实现

1、同步代码块采用monitorenter、monitorexit指令显式的实现。

2、同步方法则使用ACC_SYNCHRONIZED标记符隐式的实现。

通过实例来看看具体实现：

javap -c 编译后的字节码如下：

monitorenter

每一个对象都有一个monitor，一个monitor只能被一个线程拥有。当一个线程执行到monitorenter指令时会尝试获取相应对象的monitor，获取规则如下：

如果monitor的进入数为0，则该线程可以进入monitor，并将monitor进入数设置为1，该线程即为monitor的拥有者。
如果当前线程已经拥有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1，所以synchronized关键字实现的锁是可重入的锁。
如果monitor已被其他线程拥有，则当前线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor。

monitorexit

只有拥有相应对象的monitor的线程才能执行monitorexit指令。每执行一次该指令monitor进入数减1，当进入数为0时当前线程释放monitor，此时其他阻塞的线程将可以尝试获取该monitor。

monitorexit有两个，另一个是用来确保异常结束时释放 monitor指令.

2.2.3 锁存放的位置

锁标记存放在Java对象头的Mark Word中。

Java对象头长度

32位JVM Mark Word 结构

32位JVM Mark Word 状态变化

64位JVM Mark Word 结构

2.2.4 synchronized的锁优化

在JavaSE1.6中，锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。

锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

适应性自旋（Adaptive Spinning）：自适应意味着自旋的时间不再固定了，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间，比如100个循环。另一方面，如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后要获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源。

有了自适应自旋锁，随着程序运行和性能监控信息的不断完善，虚拟机对程序锁的状况预测会越来越准确，虚拟机会变得越来越聪明。

锁粗化（Lock Coarsening）：也就是减少不必要的紧连在一起的unlock，lock操作，将多个连续的锁扩展成一个范围更大的锁。

锁消除（Lock Elimination）：锁削除是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行削除。锁消除的主要判定依据来源于逃逸分析技术。

偏向锁：

引入偏向锁的主要目的是：为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必须要的轻量级锁执行路径。其实在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一个线程多次获取，所以引入偏向锁就可以减少很多不必要的性能开销和上下文切换。

轻量级锁：

引入轻量级锁的主要目的是：在多线程竞争不激烈的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。

轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的情况。

所以偏向锁是认为环境中不存在竞争情况，而轻量级锁则是认为环境中不存在竞争或者竞争不激烈，轻量级锁所以一般都只会有少数几个线程竞争锁对象，其他线程只需要稍微等待（自旋）下就可以获取锁，但是自旋次数有限制，如果超过该次数，则会升级为重量级锁。

重量级锁

监视器锁Monitor

知识补充：java对象头

对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

普通对象的对象头包括两部分：Mark Word和Class Metadata Address （类型指针），如果是数组对象还包括一个额外的Array length数组长度部分。

Mark Word：用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等，占用内存大小与虚拟机位长一致。

Class Metadata Address：类型指针指向对象的类元数据，虚拟机通过这个指针确定该对象是哪个类的实例。

synchronized 用的锁是存储在 Java 对象头里的，下图是锁状态变化的情况，在分析 synchronized 锁升级需要对照这图：

1）一个锁对象刚刚开始创建的时候，没有任何线程来访问它，此时线程状态为无锁状态。Mark word（锁标志位-01 是否偏向-0）

2）当线程A来访问这个对象锁时，它会偏向这个线程A。线程A检查Mark word（锁标志位-01 是否偏向-0）为无锁状态。此时，有线程访问锁了，无锁升级为偏向锁，Mark word（锁标志位-01，是否偏向-1，线程ID-线程A的ID）

3）当线程A执行完同步块时，不会主动释放偏向锁。持有偏向锁的线程执行完同步代码后不会主动释放偏向锁，而是等待其他线程来竞争才会释放锁。Mark word不变（锁标志位-01，是否偏向-1，线程ID-线程A的ID）

4）当线程A再次获取这个对象锁时，检查Mark word（锁标志位-01，是否偏向-1，线程ID-线程A的ID），偏向锁且偏向线程A，可以直接执行同步代码。这样偏向锁保证了总是同一个线程多次获取锁的情况下，每次只需要检查标志位就行，效率很高。

5）当线程A执行完同步块之后，线程B获取这个对象锁检查Mark word（锁标志位-01，是否偏向-1，线程ID-线程A的ID），偏向锁且偏向线程A。有不同的线程获取锁对象，偏向锁升级为轻量级锁，并由线程B获取该锁。

6）当线程A正在执行同步块时，也就是正持有偏向锁时，线程B获取来这个对象锁。

检查Mark word（锁标志位-01，是否偏向-1，线程ID-线程A的ID），偏向锁且偏向线程A。

线程A撤销偏向锁:

等到全局安全点执行撤销偏向锁，暂停持有偏向锁的线程A并检查程A的状态；
如果线程A不处于活动状态或者已经退出同步代码块，则将对象锁设置为无锁状态，然后再升级为轻量级锁。由线程B获取轻量级锁。
如果线程A还在执行同步代码块，也就是线程A还需要这个对象锁，则偏向锁膨胀为轻量级锁。

线程A膨胀为轻量级锁过程：

在升级为轻量级锁之前，持有偏向锁的线程（线程A）是暂停的
线程A栈帧中创建一个名为锁记录的空间（Lock Record）
锁对象头中的Mark Word拷贝到线程A的锁记录中
Mark Word的锁标志位变为00，指向锁记录的指针指向线程A的锁记录地址，Mark word（锁标志位-00，其他位-线程A锁记录的指针）
当原持有偏向锁的线程（线程A）获取轻量级锁后，JVM唤醒线程A，线程A执行同步代码块

7）线程A持有轻量级锁，线程A执行完同步块代码之后，一直没有线程来竞争对象锁，正常释放轻量级锁。释放轻量级锁操作：CAS操作将线程A的锁记录（Lock Record）中的Mark Word替换回锁对象头中。

8）线程A持有轻量级锁，执行同步块代码过程中，线程B来竞争对象锁。

Mark word（锁标志位-00，其他位-线程A锁记录的指针）

线程B会先在栈帧中建立锁记录，存储锁对象目前的Mark Word的拷贝
线程B通过CAS操作尝试将锁对象的Mark Word的指针指向线程B的Lock Record，如果成功，说明线程A刚刚释放锁，线程B竞争到锁，则执行同步代码块。
因为线程A一直持有锁，大部分情况下CAS是会失败的。CAS失败之后，线程B尝试使用自旋的方式来等待持有轻量级锁的线程释放锁。
线程B不会一直自旋下去，如果自旋了一定次数后还是失败，线程B会被阻塞，等待释放锁后唤醒。此时轻量级锁就会膨胀为重量级锁。Mark word（锁标志位-10，其他位-重量级锁monitor的指针）
线程A执行完同步块代码之后，执行释放锁操作，CAS 操作将线程A的锁记录（Lock Record）中的Mark Word 替换回锁对象对象头中，因为对象头中已经不是原来的轻量级锁的指针了，而是重量级锁的指针，所以CAS操作会失败。
释放轻量级锁CAS操作替换失败之后，需要在释放锁的同时需要唤醒被挂起的线程B。线程B被唤醒，获取重量级锁monitor

三锁分类

公平锁/非公平锁

公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁。

非公平锁是指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。有可能，会造成优先级反转或者饥饿现象。

对于Java ReentrantLock而言，通过构造函数指定该锁是否是公平锁，默认是非公平锁。非公平锁的优点在于吞吐量比公平锁大。

对于Synchronized而言，也是一种非公平锁。由于其并不像ReentrantLock是通过AQS的来实现线程调度，所以并没有任何办法使其变成公平锁。

可重入锁

可重入锁又名递归锁，是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候，在进入内层方法会自动获取锁。说的有点抽象，下面会有一个代码的示例。

对于Java ReentrantLock而言, 他的名字就可以看出是一个可重入锁，其名字是Re entrant Lock重新进入锁。

对于Synchronized而言,也是一个可重入锁。可重入锁的一个好处是可一定程度避免死锁。

synchronized void setA() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
    setB();
}

synchronized void setB() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
}

上面的代码就是一个可重入锁的一个特点，如果不是可重入锁的话，setB可能不会被当前线程执行，可能造成死锁。

独享锁/共享锁

独享锁是指该锁一次只能被一个线程所持有。

共享锁是指该锁可被多个线程所持有。

对于Java ReentrantLock而言，其是独享锁。但是对于Lock的另一个实现类ReadWriteLock，其读锁是共享锁，其写锁是独享锁。

读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的，读写，写读，写写的过程是互斥的。

独享锁与共享锁也是通过AQS来实现的，通过实现不同的方法，来实现独享或者共享。

对于Synchronized而言，当然是独享锁。

互斥锁/读写锁

上面讲的独享锁/共享锁就是一种广义的说法，互斥锁/读写锁就是具体的实现。

互斥锁在Java中的具体实现就是ReentrantLock

读写锁在Java中的具体实现就是ReadWriteLock

乐观锁/悲观锁

乐观锁与悲观锁不是指具体的什么类型的锁，而是指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。

从上面的描述我们可以看出，悲观锁适合写操作非常多的场景，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中的使用，是无锁编程，常常采用的是CAS算法，典型的例子就是原子类，通过CAS自旋实现原子操作的更新。

分段锁

分段锁其实是一种锁的设计，并不是具体的一种锁，对于ConcurrentHashMap而言，其并发的实现就是通过分段锁的形式来实现高效的并发操作。

我们以ConcurrentHashMap来说一下分段锁的含义以及设计思想，ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment，它即类似于HashMap（JDK7与JDK8中HashMap的实现）的结构，即内部拥有一个Entry数组，数组中的每个元素又是一个链表；同时又是一个ReentrantLock（Segment继承了ReentrantLock)。

当需要put元素的时候，并不是对整个hashmap进行加锁，而是先通过hashcode来知道他要放在那一个分段中，然后对这个分段进行加锁，所以当多线程put的时候，只要不是放在一个分段中，就实现了真正的并行的插入。

但是，在统计size的时候，可就是获取hashmap全局信息的时候，就需要获取所有的分段锁才能统计。

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，就仅仅针对数组中的一项进行加锁操作。

偏向锁/轻量级锁/重量级锁

这三种锁是指锁的状态，并且是针对Synchronized。在Java 5通过引入锁升级的机制来实现高效Synchronized。这三种锁的状态是通过对象监视器在对象头中的字段来表明的。

偏向锁是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。

轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候，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。

重量级锁是指当锁为轻量级锁的时候，另一个线程虽然是自旋，但自旋不会一直持续下去，当自旋一定次数的时候，还没有获取到锁，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。

自旋锁

在Java中，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。JDK自旋的默认次数为10次，可以通过参数-XX:PreBlockSpin来调整。