Synchronized基本概念

先了解几个术语：

  • 临界区： 指的是某⼀块代码区域块，它同⼀时刻只能由⼀个线程执⾏。
  • 竞态条件：对共享内存的进行竞争读写的地方
  • CAS（Compare and Swap ）： 比较并交换，⽤于在硬件层⾯上提供原子性操作。 乐观锁就是用到了CAS

CAS

下面介绍CAS实现原子操作的两大问题

  • ABA问题：ABA问题就是⼀个值原来是A，变成了B，⼜变回了A。这个时候使⽤CAS是 检查不出变化的，但实际上却被更新了两次。 解决思路是使用“版本号”或者加上时间戳（JUC的atom包有响应的工具类可以使用）
  • 自旋开销大： CAS多与自旋结合。如果⾃旋CAS⻓时间不成功，会占⽤⼤量的CPU资源。 解决思路是让JVM⽀持处理器提供的pause指令， pause指令能让⾃旋失败时cpu睡眠⼀⼩段时间再继续⾃旋

CAS+volatile实现无锁

  1. class AccountSafe implements Account {
  2.      private AtomicInteger balance; // 原子整数，用volatile实现的
  3.      public AccountSafe(Integer balance) {
  4.          this.balance = new AtomicInteger(balance);
  5.      }
  8.      @Override
  9.      public Integer getBalance() {
  10.          return balance.get();
  11.      }
  13.      @Override
  14.      public void withdraw(Integer amount) {
  15.          while (true) {
  16.              int prev = balance.get();
  17.              int next = prev - amount;
  18.              if (balance.compareAndSet(prev, next)) { // cas
  19.                  break;
  20.              }
  21.          }
  22.      // 可以简化为下面的方法
  23.      // balance.addAndGet(-1 * amount);
  24.      }
  25. }
  • CAS必须借助volatile才能读取到共享变量的最新值来实现【比较并交换】的效果

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Synchronized使用

  1.     // 关键字在实例⽅法上，锁为当前实例
  2.     public synchronized void instanceLock() {
  3.         // code
  4.     }
  5.     // 关键字在静态⽅法上，锁为当前Class对象
  6.     public static synchronized void classLock() {
  7.         // code
  8.     }
  9.     // 关键字在代码块上，锁为括号⾥⾯的对象
  10.     public void blockLock() {
  11.         Object o = new Object();
  12.         synchronized (o) {
  13.             // code
  14.         }
  15.     }

Synchronized实现原理

synchronized关键字的实现，依赖于Java的对象头中的Mark Word
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Mark Word具体字段：
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  • 默认存储对象的 HashCode、分代年龄、偏向模式以及锁标志位

偏向锁

我把偏向锁看成是一种对轻量级锁的优化
轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行CAS操作。而偏向锁在进入之前可以判断进程id是否是自己，如果是则不用进行CAS操作
偏向锁使用： 以先判断锁标志，再判断偏向锁标志位，只有最后三位是 101才开始，否则直接走其他的锁。

  • 如果是匿名状态，线程ID为0，采⽤CAS去将当前线程写入，如果成功则获得锁，不成功表示存在竞争。
  • 线程ID不为0，此前已经有偏向，判断此值是否和当前线程相同，若⼀致则表示线程之前就获得了锁，不⼀致就尝试CAS替换。

如何撤销偏向锁：

  1. 如果有线程想要竞争该锁，就会撤销偏向锁
  2. 调用该对象的hashcode方法
  3. 调用wait/ notify方法

偏向锁的优缺点

  • 优点：只有单一线程访问对象的时候，偏向锁性能好，只在第一次需要CAS操作
  • 缺点：当发生竞争时，竞争需要等到安全点并且进行一系列比较，比较耗费时间。另外，当程序需要Hash值时，会调用HashCode方法，这会导致偏向锁退出

轻量级锁

  • 轻量级锁设计的初衷是在没有多线程竞争的前提 下，减少传统的重量级锁的资源损耗
  • 当锁标志位是00时，虚拟机栈就会开辟Lock Record空间

轻量级锁的使用

不再像偏向锁一样用线程id辩识，而是在当前线程的栈帧中建立⼀个指针，指向Lock Record空间
此指针空间包含两部分：

  1. displaced mark word：⽤于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝副本
  2. owner:指向当前的锁对象的指针

虚拟即首先会将对象头的Mark World拷贝到栈帧中的Lock Record，如果操作成功则代表拥有了这个对象锁，如果操作失败则可能升级为重量级锁

轻量级锁的释放

使⽤CAS尝试将Lock Record中的displaced mark word替换回去，需要检查对象头中的指针是否依旧指向当前线程。 如果替换成功，表示没有竞争，锁成功释放
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轻量级锁的重入

轻量级锁的每⼀次重入，都会在栈中⽣成⼀个Lock Record。第一次加锁时会拷贝Mark Word，Owner区指向对象头。后面的加锁（重入）并不会拷贝，仅仅是Owner指向对象本身， 每加⼀次锁帧栈中多⼀个Lock Record
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自旋锁

  • 可以把自旋锁看成对锁膨胀的一种优化，每次轻量级锁发送竞争就进入重量级锁的话，很浪费性能，这时候先让线程多自旋几次，说不定这过程中，持有锁的线程也执行完毕了。
  • 自旋后之后仍未获得锁或者自旋的锁超过1个，那么会升级为重量级锁
  • JDK1.6之后加入了自适应自旋

重量级锁

重量级锁的实现依赖于ObjectMonitor，⽽ObjectMonitor⼜依赖于操作系统底层的Mutex Lock（互斥锁）实现
每个对象都可以关联一个Monitor对象（又叫管程、监视器），如果使用synchronized给对象上锁（重量级）之后，该对象头的Mark Word中就被设置指向Monitor对象的指针
当线程访问同步代码块时，每个线程都会被封装成⼀个ObjectWaiter对象进⼊monitor

持有同一个Monitor的对象会按以下规则运行：
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  • 正在执行的线程称为Owner，如果这时候有另一个线程想要进入临界区，就会被存放在EntryList中，进行阻塞
  • 当Owner线程执行完毕后，会唤醒EntryList的线程（非公平竞争）
  • WaitSet是之前获得到锁，但条件不满足进入Waiting状态的线程

重量级的优缺点

  • 缺点：重量级锁需要调用内核空间，产生较大开销。
  • 优点：重量级锁可以应对竞争激烈的场景