java 中的锁----锁的基础和升级过程

锁的类型

锁从宏观上分类，分为悲观锁与乐观锁。
乐观锁：顾名思义，就是一个很乐观的锁，他就认为你一直不会上锁，直到用的时候，判断一下你会不会上锁。即认为读多写少，遇到并发写的可能性低，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，采取在写时先读出当前版本号，然后加锁操作（比较跟上一次的版本号，如果一样则更新），如果失败则要重复读-比较-写的操作。

java中的乐观锁基本都是通过CAS操作实现的，CAS是一种更新的原子操作，比较当前值跟传入值是否一样，一样则更新，否则失败。当然CAS会遇到ABA问题
悲观锁：悲观锁是就是悲观思想，反正认为自己做什么都很倒霉，满世界都是锁！觉得遇到并发写的可能性高，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，有被害妄想症。所以每次在读写数据的时候都会上锁，这样别人想读写这个数据就会block直到拿到锁。java中的悲观锁就是Synchronized（重量级锁）

线程的堵塞

java的线程的上下文切换是需要操作系统介入的，堵塞和唤醒都需要在用户态和内核态中切换，这样会耗费大量的资源！（inter是0到3四种级别，而linux采用了0和3两种特权级，即用户态和内核态，处于用户运行态（用户态），此时特权级最低，只有一定的权限，内核态权限最高）

所以，当线程的切换是一种高频操作的时候，那必然要消耗大量的CPU时间

而对那些简单的代码你进行了加锁，结果获取挂起锁消耗的时间比代码执行时间长，那必然是不合理的

所以在jdk1.6后，加入了偏向锁，轻量级锁，默认使用自旋锁，这都是乐观锁

而在1.6前，synchronized是一种重量级锁，他会导致争用不到锁的线程进入阻塞状态

（Synchronized是一个同步关键字，在某些多线程场景下，如果不进行同步会导致数据不安全，而Synchronized关键字就是用于代码同步。什么情况下会数据不安全呢，要满足两个条件：一是数据共享（临界资源），二是多线程同时访问并改变该数据。）

Java对象头

在HotSpot虚拟机中，对象是存放在堆内存中的，对象大致可以分为三个部分，分别是对象头、实例变量和填充字节

而对象头包括三部分：

markword
第一部分markword,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，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit，官方称它为“MarkWord”。
klass
对象头的另外一部分是klass类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例.
数组长度（只有数组对象有）
如果对象是一个数组, 那在对象头中还必须有一块数据用于记录数组长度. 

markword：

了解一下markword有助于后面对锁的了解

来啦来来！重点的锁升级全过程来了！

锁的4种状态：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态（级别从低到高）

为什么要引入偏向锁？

因为经过HotSpot的作者大量的研究发现，大多数时候是不存在锁竞争的，常常是一个线程多次获得同一个锁，因此如果每次都要竞争锁会增大很多没有必要付出的代价，为了降低获取锁的代价，Java6才引入的偏向锁。
偏向锁，顾名思义，它会偏向于第一个访问锁的线程，如果在运行过程中，同步锁只有一个线程访问，不存在多线程争用的情况，则线程是不需要触发同步的，这种情况下，就会给线程加一个偏向锁。
如果在运行过程中，遇到了其他线程抢占锁，则持有偏向锁的线程会被挂起，JVM会消除它身上的偏向锁，将锁恢复到标准的轻量级锁。

偏向锁的升级

当线程1访问代码块并获取锁对象时，会在java对象头和栈帧中记录偏向的锁的threadID，因为偏向锁不会主动释放锁，因此以后线程1再次获取锁的时候，需要比较当前线程的threadID和Java对象头中的threadID是否一致，如果一致（还是线程1获取锁对象），则无需使用CAS来加锁、解锁；如果不一致（其他线程，如线程2要竞争锁对象，而偏向锁不会主动释放因此还是存储的线程1的threadID），那么需要查看Java对象头中记录的线程1是否存活，如果没有存活，那么锁对象被重置为无锁状态，其它线程（线程2）可以竞争将其设置为偏向锁；如果存活，那么立刻查找该线程（线程1）的栈帧信息，如果还是需要继续持有这个锁对象，那么暂停当前线程1，撤销偏向锁，升级为轻量级锁，如果线程1 不再使用该锁对象，那么将锁对象状态设为无锁状态，重新偏向新的线程。

偏向锁的释放：

偏向锁的撤销在上述第四步骤中有提到。偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动去释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态，撤销偏向锁后恢复到未锁定（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。

轻量级锁

为什么要引入轻量级锁？

轻量级锁考虑的是竞争锁对象的线程不多，而且线程持有锁的时间也不长的情景。因为阻塞线程需要CPU从用户态转到内核态，代价较大，如果刚刚阻塞不久这个锁就被释放了，那这个代价就有点得不偿失了，因此这个时候就干脆不阻塞这个线程，让它自旋这等待锁释放。

轻量级锁是由偏向所升级来的，偏向锁运行在一个线程进入同步块的情况下，当第二个线程加入锁争用的时候，偏向锁就会升级为轻量级锁；

轻量级锁的加锁过程：

1.在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为“01”状态，是否为偏向锁为“0”），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，官方称之为 Displaced Mark Word。拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中；

2.使用CAS把对象头中的内容替换为线程1存储的锁记录（DisplacedMarkWord）的地址；这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态

3.如果在线程1复制对象头的同时（在线程1CAS之前），线程2也准备获取锁，复制了对象头到线程2的锁记录空间中，但是在线程2CAS的时候，发现线程1已经把对象头换了，线程2的CAS失败，那么线程2就尝试使用自旋锁来等待线程1释放锁。但是如果自旋的时间太长也不行，因为自旋是要消耗CPU的，因此自旋的次数是有限制的，比如10次或者100次，如果自旋次数到了线程1还没有释放锁，或者线程1还在执行，线程2还在自旋等待，这时又有一个线程3过来竞争这个锁对象，那么这个时候轻量级锁就会膨胀为重量级锁。重量级锁把除了拥有锁的线程都阻塞，防止CPU空转。

*注意：为了避免无用的自旋，轻量级锁一旦膨胀为重量级锁就不会再降级为轻量级锁了；偏向锁升级为轻量级锁也不能再降级为偏向锁。一句话就是锁可以升级不可以降级，但是偏向锁状态可以被重置为无锁状态。

Synchronized在JVM中的实现原理

重量级锁对应的锁标志位是10，存储了指向重量级监视器锁的指针，在Hotspot中，对象的监视器（monitor）锁对象由ObjectMonitor对象实现（C++），其跟同步相关的数据结构如下：

ObjectMonitor() {
    _count        = 0; //用来记录该对象被线程获取锁的次数
    _waiters      = 0;
    _recursions   = 0; //锁的重入次数
    _owner        = NULL; //指向持有ObjectMonitor对象的线程 
    _WaitSet      = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _EntryList    = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
  }

在JDK1.5之前都是使用synchronized关键字保证同步的，Synchronized的作用相信大家都已经非常熟悉了；

它可以把任意一个非NULL的对象当作锁。

作用于方法时，锁住的是对象的实例(this)；
当作用于静态方法时，锁住的是Class实例，又因为Class的相关数据存储在永久带PermGen（jdk1.8则是metaspace元空间），永久带是全局共享的，因此静态方法锁相当于类的一个全局锁，会锁所有调用该方法的线程；
synchronized作用于一个对象实例时，锁住的是所有以该对象为锁的代码块。

线程的生命周期存在5个状态，start、running、waiting、blocking和dead

对于一个synchronized修饰的方法(代码块)来说：

1.当多个线程同时访问该方法，那么这些线程会先被放进EntryList队列，此时线程处于blocking状态
2.当一个线程获取到了实例对象的监视器（monitor）锁，那么就可以进入running状态，执行方法，此时，ObjectMonitor对象的owner指向当前线程，count加1表示当前对象锁被一个线程获取
3.当running状态的线程调用wait()方法，那么当前线程释放monitor对象，进入waiting状态，ObjectMonitor对象的owner变为null，count减1，同时线程进入WaitSet队列，直到有线程调用notify()方法唤醒该线程，则该线程重新获取monitor对象进入Owner区
4.如果当前线程执行完毕，那么也释放monitor对象，进入waiting状态，ObjectMonitor对象的owner变为null，_count减1

那么Synchronized修饰的代码块/方法如何获取monitor对象的呢？

当一个线程访问同步代码块时，首先是需要得到锁才能执行同步代码，当退出或者抛出异常时必须要释放锁，那么它是如何来实现这个机制的呢？我们先看一段简单的代码：

（1）Synchronized修饰代码块：

Synchronized代码块同步在需要同步的代码块开始的位置插入monitorentry指令，在同步结束的位置或者异常出现的位置插入monitorexit指令；JVM要保证monitorentry和monitorexit都是成对出现的，任何对象都有一个monitor与之对应，当这个对象的monitor被持有以后，它将处于锁定状态。

例子：

public class SynchronizedDemo {
    public void method() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("Method 1 start");
        }
}

反编译：

1. monitorenter：每个对象都是一个监视器锁（monitor）。当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下：

   1. 如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者；
   2. 如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1；
   3. 如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权；

2. monitorexit：执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。指令执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。

   monitorexit指令出现了两次，第1次为同步正常退出释放锁；第2次为发生异步退出释放锁；

（2）Synchronized修饰方法

public class SynchronizedMethod {
    public synchronized void method() {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

反编译结果

从编译的结果来看，方法的同步并没有通过指令 monitorenter 和 monitorexit 来完成（理论上其实也可以通过这两条指令来实现），不过相对于普通方法，其常量池中多了 ACC_SYNCHRONIZED 标示符。JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的：

当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先获取monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。

自旋锁

线程的阻塞和唤醒需要CPU从用户态转为核心态，频繁的阻塞和唤醒对CPU来说是一件负担很重的工作，势必会给系统的并发性能带来很大的压力。同时我们发现在许多应用上面，对象锁的锁状态只会持续很短一段时间，为了这一段很短的时间频繁地阻塞和唤醒线程是非常不值得的。

所以引入自旋锁，何谓自旋锁？

所谓自旋锁，就是指当一个线程尝试获取某个锁时，如果该锁已被其他线程占用，就一直循环检测锁是否被释放，而不是进入线程挂起或睡眠状态。

自旋锁适用于锁保护的临界区很小的情况，临界区很小的话，锁占用的时间就很短。自旋等待不能替代阻塞，虽然它可以避免线程切换带来的开销，但是它占用了CPU处理器的时间。如果持有锁的线程很快就释放了锁，那么自旋的效率就非常好，反之，自旋的线程就会白白消耗掉处理的资源，它不会做任何有意义的工作，典型的占着茅坑不拉屎，这样反而会带来性能上的浪费。所以说，自旋等待的时间（自旋的次数）必须要有一个限度，如果自旋超过了定义的时间仍然没有获取到锁，则应该被挂起。

自旋锁在JDK 1.4.2中引入，默认关闭，但是可以使用-XX:+UseSpinning开开启，在JDK1.6中默认开启。同时自旋的默认次数为10次，可以通过参数-XX:PreBlockSpin来调整。

如果通过参数-XX:PreBlockSpin来调整自旋锁的自旋次数，会带来诸多不便。假如将参数调整为10，但是系统很多线程都是等你刚刚退出的时候就释放了锁（假如多自旋一两次就可以获取锁），是不是很尴尬。于是JDK1.6引入自适应的自旋锁，让虚拟机会变得越来越聪明。

适应性自旋锁

JDK 1.6引入了更加聪明的自旋锁，即自适应自旋锁。所谓自适应就意味着自旋的次数不再是固定的，它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。那它如何进行适应性自旋呢？

线程如果自旋成功了，那么下次自旋的次数会更加多，因为虚拟机认为既然上次成功了，那么此次自旋也很有可能会再次成功，那么它就会允许自旋等待持续的次数更多。反之，如果对于某个锁，很少有自旋能够成功，那么在以后要或者这个锁的时候自旋的次数会减少甚至省略掉自旋过程，以免浪费处理器资源。

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。

减少锁的时间

不需要同步执行的代码，能不放在同步快里面执行就不要放在同步快内，可以让锁尽快释放；

减少锁的粒度

它的思想是将物理上的一个锁，拆成逻辑上的多个锁，增加并行度，从而降低锁竞争。它的思想也是用空间来换时间；

java中很多数据结构都是采用这种方法提高并发操作的效率：ConcurrentHashMap、LinkedBlockingQueue等

锁粗化

大部分情况下我们是要让锁的粒度最小化，锁的粗化则是要增大锁的粒度;
在以下场景下需要粗化锁的粒度：
假如有一个循环，循环内的操作需要加锁，我们应该把锁放到循环外面，否则每次进出循环，都进出一次临界区，效率是非常差的；将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起，扩展成一个范围更大的锁，避免频繁的加锁解锁操作。