synchronized的實(shí)現(xiàn)原理
synchronized的實(shí)現(xiàn)原理
大家好我是debug沒有bug的迪吧哥，今天不加班，和大家來扯一扯synchronized。
Synchronized通常稱為重量級鎖，但是Java SE1.6后對synchronized進(jìn)行了各種優(yōu)化。Java中每個(gè)對象都可作為鎖，具體有如下3種形式：
對于普通方法，鎖是當(dāng)前實(shí)例對象。
現(xiàn)象：先逐行輸出mythread1，線程1：RUNNABLE，線程2：BLOCKED，之后暫停五分鐘，逐行輸出sleep end，mythread2
分析：線程2與線程1擁有相同的鎖，線程1優(yōu)先級高于線程2，線程1優(yōu)先執(zhí)行，獲取到鎖，執(zhí)行sleep，未釋放鎖，線程2未獲取到鎖，處于阻塞狀態(tài)，線程1sleep結(jié)束，輸出sleep end，并釋放鎖，線程2獲取到鎖，執(zhí)行輸出mythread2
結(jié)論：當(dāng)synchronized修飾普通方法時(shí)，鎖對象即為當(dāng)前對象
對于靜態(tài)同步方法，鎖的是當(dāng)前類的class對象。
對上述代碼稍作修改，在dosome方法上添加static關(guān)鍵字，main方法中，線程2對象初始化時(shí)，傳入MyThread1.class
現(xiàn)象：與上述現(xiàn)象一致
分析：同上
結(jié)論：當(dāng)synchronized修飾靜態(tài)方法時(shí)，鎖對象為當(dāng)前Class對象
對于同步方法快，鎖的是synchonized括號(hào)內(nèi)的配置對象。
當(dāng)一個(gè)線程試圖訪問同步代碼塊時(shí)，首先必須得到鎖，退出或拋出異常必須釋放鎖。鎖存在哪里？ 鎖有哪些信息？
JVM規(guī)范可看到Synchonized在JVM里的實(shí)現(xiàn)原理，JVM基于進(jìn)入與退出Monitor對象實(shí)現(xiàn)方法同步與代碼塊同步。代碼塊同步使用monitorenter和monitorexit指令實(shí)現(xiàn)的，方法同步用另外方式實(shí)現(xiàn)，細(xì)節(jié)再JVM規(guī)范沒詳細(xì)說明。方法同步用這兩個(gè)指令實(shí)現(xiàn)。
monitorenter指令在編譯后插入到同步代碼塊開始位置，而monitorexit插入到方法結(jié)束與異常處，JVM保證每個(gè)monitorenter必須有相應(yīng)monitorexit與之配對。任何對象有一個(gè)monitor與之關(guān)聯(lián)，當(dāng)一個(gè)monitor被持有后，它處于鎖定狀態(tài)。
我們執(zhí)行以下代碼，并且結(jié)合hsdis-amd64.dl工具查看控制臺(tái)的字節(jié)碼指令：
字節(jié)碼指令：
我們可以看到 有ACC_SYNCHRONIZED， 它使用了monitorenter與monitorexit指令，隱式執(zhí)行了Lock與Unlock操作，提供原子性。
synchronized鎖的原理
jdk1.6后對Synchonized鎖優(yōu)化，有偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。
我們通過一下三個(gè)問題來了解synchronized原理：
synchronized如何實(shí)現(xiàn)鎖
為什么任何一個(gè)對象都可以成為鎖
鎖存在哪個(gè)地方？
了解synchronized前，我們需了解兩個(gè)重要概念，一個(gè)是對象頭，一個(gè)是monitor。
Java對象頭：
在Hotspot虛擬機(jī)中，對象在內(nèi)存的布局分為三塊區(qū)域：對象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)與對象填充；Java對象頭是實(shí)現(xiàn)synchronized鎖對象基礎(chǔ)，synchronized使用鎖對象存儲(chǔ)在Java對象頭里。是輕量級鎖與偏向鎖關(guān)鍵。
Mawrk Word：
Mark word用于存儲(chǔ)對象自身運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如哈希瑪、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有鎖、偏向線程ID\偏向時(shí)間戳等。Java對象頭一般占有兩機(jī)器碼，如下所示：
Monitor：
Monitor是什么？ 可理解為一個(gè)同步工具，也是一種同步機(jī)制。Java對象是天生的Monitor，每個(gè)object對象里markOop->monitor()里可保存ObjectMonitor對象。
Synchronized如何實(shí)現(xiàn)鎖？
了解了對象頭和monitor之后我們可以分析synchronized鎖的實(shí)現(xiàn)。
樂觀鎖：
樂觀鎖認(rèn)為讀多寫少，每次拿數(shù)據(jù)的時(shí)候認(rèn)為別人不修改，不會(huì)上鎖，更新的時(shí)候判斷這個(gè)期間又沒人更新數(shù)據(jù)，寫的時(shí)候先讀出版本號(hào)，然后加鎖操作，如果失敗，重復(fù)操作。java中樂觀鎖基本通過CAS實(shí)現(xiàn)，比較當(dāng)前值和傳入值是否一樣。
悲觀鎖：
悲觀就是認(rèn)為寫多讀少，拿數(shù)據(jù)時(shí)都認(rèn)為別人會(huì)修改，所以每次讀寫會(huì)上鎖，所以別人讀寫數(shù)據(jù)會(huì)block直到拿到鎖。java中悲觀鎖是Synchronized，AQS框架的鎖先嘗試cas樂觀鎖獲取鎖，獲取不到轉(zhuǎn)化為悲觀鎖，如RetreenLock，還有數(shù)據(jù)庫一般本身鎖的機(jī)制也是基于悲觀鎖的機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。
自旋鎖（CAS）：
自旋鎖讓不滿足條件的線程等待一段時(shí)間，自旋就是一段循環(huán)，通過占用處理器時(shí)間避免線程切換帶來的開銷，但是如果持有鎖定線程不能很快釋放鎖會(huì)浪費(fèi)資源，下面是自旋鎖代碼演示。
偏向鎖：
很多情況，鎖沒有存在多線程競爭，而是由同一線程多次獲得，為了讓線程獲取鎖代價(jià)變低引入偏向鎖。下圖是偏向鎖獲得與撤銷圖。
1、線程訪問同步塊獲取鎖，對想頭與棧幀鎖記錄存儲(chǔ)鎖偏向的線程ID。
2、線程進(jìn)入退出同步快不要cas操作，只需簡單測試Mark Word是否存儲(chǔ)線程偏向鎖。
3、測試成功，表示線程獲得鎖，測試失敗，測試Mark Word偏向鎖標(biāo)識(shí)是否為01，沒有設(shè)置則使用CAS競爭鎖，設(shè)置了。嘗試用CAS把對象頭偏向鎖指向當(dāng)前線程。
4、執(zhí)行同步塊，線程2訪問同步塊，檢查對象頭Mark Word是否存儲(chǔ)線程2的偏向鎖，不是側(cè)進(jìn)入cas替換，此時(shí)替換失敗，線程1已經(jīng)替換。
輕量級鎖：
引入輕量級鎖的主要目的是在多沒有多線程競爭的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能消耗。當(dāng)關(guān)閉偏向鎖功能或者多個(gè)線程競爭偏向鎖導(dǎo)致偏向鎖升級為輕量級鎖，則會(huì)嘗試獲取輕量級鎖，下面是輕量級鎖的流程圖：
重量級鎖：
重量級鎖通過對象內(nèi)部的監(jiān)視器（monitor）實(shí)現(xiàn)，其中monitor的本質(zhì)是依賴于底層操作系統(tǒng)的Mutex Lock實(shí)現(xiàn)，操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換需要從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，切換成本非常高。主要是，當(dāng)系統(tǒng)檢查到鎖是重量級鎖之后，會(huì)把等待想要獲得鎖的線程進(jìn)行阻塞，被阻塞的線程不會(huì)消耗cup。但是阻塞或者喚醒一個(gè)線程時(shí)，都需要操作系統(tǒng)來幫忙，這就需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài)，而轉(zhuǎn)換狀態(tài)是需要消耗很多時(shí)間的，有可能比用戶執(zhí)行代碼的時(shí)間還要長。這就是說為什么重量級線程開銷很大的。
好了，今天的分享就到這里了，我是debug沒bug的迪吧哥，你的點(diǎn)贊關(guān)注是對我的最大支持，感謝你的分享。
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