2_并发编程同步锁(synchronized)

并发编程带来的安全性同步锁(synchronized)

1.他的背景

当多个线程同时访问，公共共享资源的时候，这时候就会出现线程安全，代码如：

public class AtomicDemo {
    int i=0;
    //排他锁、互斥锁
    public  void incr(){  //synchronized
        i++;    //i++最终3条指令 [线程安全问题中原子性]
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicDemo ad=new AtomicDemo();
        Thread[] thread=new Thread[2];
        for (int i = 0; i <2 ; i++) {
            thread[i]=new Thread(()->{ for(int k=0;k<10000;k++) {   ad.incr();   } });
            thread[i].start();
        }
        thread[0].join();
        thread[1].join();
        System.out.println("Result:"+ad.i);
    }
}
//执行结果：17986，如果加上synchronized同步锁后结果为20000.
Result:17986

图片解析过程：

2.基本使用

synchronized有三种方式来加锁，不同的修饰类型，代表锁的控制粒度：

1. 修饰实例方法，作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁
2. 静态方法，作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁
3. 修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象的锁

public class SynchronizedDemo {
    //修饰实例方法
    public synchronized void m1(){  }
    
    Object lock=new Object(); //在内存中会分配一个地址来存储
    public void m2(){
        //代码块
        synchronized (lock){ } //lock为锁对象，也表示控制锁的范围
    }
    //静态方法
    public synchronized static void m3(){}
}

3.注意事项

锁的范围： synchronized中的锁对象如果是，普通对象这为当前对象锁，如果是静态类为全局锁。

4.底层原理

4.1 synchronized是如何实现锁的，以及锁的信息是存储在哪里？锁的信息是存储在锁对象下Markword对象头里的。

4.2 在Hotspot虚拟机中，对象在内存中的存储布局，可以分为三个区域:对象头(Header)、实例数据(Instance Data)、对齐填充(Padding)

4.3 mark-word：对象标记字段占4个字节，用于存储一些列的标记位，比如：哈希值、轻量级锁的标记位，偏向锁标记位、分代年龄等

4.5 偏向锁状态[默认情况下，偏向锁的开启是有个延迟，默认是4秒 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0] 为什么这么设计呢？

因为JVM虚拟机自己有一些默认启动的线程，这些线程里面有很多的Synchronized代码，这些
Synchronized代码启动的时候就会触发竞争，如果使用偏向锁，就会造成偏向锁不断的进行锁的升级和撤销，效率较低.

5.技术关联性

关于Synchronized锁的升级
jdk1.6对锁的实现引入了大量的优化，如自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等技术来减少锁操作的开销。
锁主要存在四中状态，依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态，他们会随着竞争的激烈而逐渐升级。

这么设计的目的，其实是为了减少重量级锁带来的性能开销，尽可能的在无锁状态下解决线程并发问
题，其中偏向锁和轻量级锁的底层实现是基于自旋锁，它相对于重量级锁来说，算是一种无锁的实现。

如果有线程去抢占锁，那么这个时候线程会先去抢占偏向锁 [也就是把markword的线程ID改为当前抢占锁的线程ID的过程] ----》

如果有线程竞争，这个时候会撤销偏向锁，升级到轻量级锁 --》

如有线程超过自旋，升级到重量级锁 [有线程超过10次自旋（-XX:PreBlockSpin参数配置），或者自旋线程数超过
CPU核心数的一般，在1.6之后，加入了自适应自旋Adapative Self Spinning. JVM会根据上次竞争的情况来自动控制自旋的时间]

---

轻量级锁的获取及原理

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.9</version>
</dependency>
    
//-------------------------------

public class Demo {
    Object o=new Object();
    public static void main(String[] args) {
        Demo demo=new Demo(); //o这个对象，在内存中是如何存储和布局的。
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demo).toPrintable());
        synchronized (demo){
        	System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demo).toPrintable());
        }
    }
}

结果：
    00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)  无锁
    d5 02 (11011[000] 11110000 11010101 00000010) (47575256) 轻量锁
    

它的锁的标记是轻量级锁呢？

默认情况下，偏向锁的开启是有个延迟，默认是4秒。为什么这么设计呢？
因为JVM虚拟机自己有一些默认启动的线程，这些线程里面有很多的Synchronized代码，这些
Synchronized代码启动的时候就会触发竞争，如果使用偏向锁，就会造成偏向锁不断的进行锁的升级和
撤销，效率较低

偏向锁的获取及原理

通过下面这个JVM参数可以讲延迟设置为0.
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0

public class Demo {
    Object o=new Object();
    public static void main(String[] args) {
        Demo demo=new Demo(); //o这个对象，在内存中是如何存储和布局的。
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demo).toPrintable());
        synchronized (demo){
        	System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demo).toPrintable());
        }
    }
}
结果：
00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)   偏向锁
4a 03 (00000101 00110000 01001010 00000011) (55193605) 偏向锁

重量级锁的获取

public static void main(String[] args) {
    Demo testDemo = new Demo();
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        synchronized (testDemo){
            System.out.println("t1 lock ing");
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(testDemo).toPrintable());
    	}
    });
    t1.start();
    synchronized (testDemo){
        System.out.println("main lock ing");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(testDemo).toPrintable());
    }
}

结果：
8a 20 5e 26 (10001010 00100000 01011110 00100110) (643702922)   重量锁
8a 20 5e 26 (10001010 00100000 01011110 00100110) (643702922)   重量锁

6.CAS

就是比较并交换的意思。它可以保证在多线程环境下对于一个变量修改的原子性。
CAS的原理很简单，包含三个值当前内存值(V)、预期原来的值(E)以及期待更新的值(N)。