文章目录
- 前言
- 一、synchronized关键字的作用
- 二、synchronized关键字的原理
- 1.应用场景
- 2.原理
- 对象锁（monitor）机制
- 3.优化
- 偏向锁
- 轻量级锁
- 自旋锁
前言
这篇记录笔者在学习synchronized关键字的学习心得
一、synchronized关键字的作用
关于synchronized关键字的使用和所起到的保证变量原子性和可见性的作用本篇就不进行赘述了，如果想看synchronized关键字作用的可以看这篇博客
二、synchronized关键字的原理
1.应用场景
修饰
- 实例方法、实例对象、修饰this，最终锁住的都是类的实例对象
- 类对象、静态方法、class对象，最终锁住的都是类对象
2.原理
下面我们来看看synchronized锁背后的原理和机制
对象锁（monitor）机制
实现原理： JVM 是通过进入、退出 对象监视器(Monitor) 来实现对方法、同步块的同步的，而对象监视器的本质依赖于底层操作系统的 互斥锁(Mutex Lock) 实现。
具体实现是在编译之后在同步方法调用前加入一个monitor.enter指令，在退出方法和异常处插入monitor.exit的指令。
对于没有获取到锁的线程将会阻塞到方法入口处，直到获取锁的线程monitor.exit之后才能尝试继续获取锁。
流程图如下：
3.优化
synchronized是一个重量级的锁，可以说它锁住的逻辑范围相当大，比方说我们只是想要锁住一个类中的一个变量，但是我们不得不锁住一整体方法或者类本身；有时别的线程只是想访问这个变量值，但是锁的存在却让其无法得到获取，毫无疑问synchronized会降低运行效率
出于以上的考虑，对synchronized进行了各种优化，为了能减少获取和释放锁带来的消耗引入了偏向锁和轻量锁。
偏向锁
引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS原子指令，而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令（由于一旦出现多线程竞争的情况就必须撤销偏向锁，所以偏向锁的撤销操作的性能损耗必须小于节省下来的CAS原子指令的性能消耗）。
Java偏向锁(Biased Locking)是Java6引入的一项多线程优化，它通过消除资源无竞争情况下的同步原语，进一步提高了程序的运行性能。
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。
偏向锁执行过程
1.访问Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1，锁标志位是否为01，确认为可偏向状态。
2.如果为可偏向状态，则测试线程ID是否指向当前线程，如果是，进入步骤5，否则进入步骤3。
3.如果线程ID并未指向当前线程，则通过CAS操作竞争锁。如果竞争成功，则将Mark Word中线程ID设置为当前线程ID，然后执行5；如果竞争失败，执行4。
4.如果CAS获取偏向锁失败，则表示有竞争。当到达全局安全点（safepoint）时获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码。（撤销偏向锁的时候会导致stop the world）
5.执行同步代码。
缺点
同样的，如果明显存在其他线程申请锁，那么偏向锁将很快膨胀为轻量级锁。
轻量级锁
轻量级锁是由偏向锁升级来的，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；
轻量锁加锁过程
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。这时候线程堆栈与对象头的状态如图所示：
2.拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中；
3.拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，并将Lock record里的owner指针指向object mark word。如果更新成功，则执行步骤4，否则执行步骤5。
4.如果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，这时候线程堆栈与对象头的状态如图所示：
5.如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行。否则说明多个线程竞争锁，轻量级锁就要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。 而当前线程便尝试使用自旋来获取锁，自旋就是为了不让线程阻塞，而采用循环去获取锁的过程。
释放过程
1.释放锁线程视角：由轻量锁切换到重量锁，是发生在轻量锁释放锁的期间，之前在获取锁的时候它拷贝了锁对象头的markword，在释放锁的时候如果它发现在它持有锁的期间有其他线程来尝试获取锁了，并且该线程对markword做了修改，两者比对发现不一致，则切换到重量锁。
2.因为重量级锁被修改了，所有display mark word和原来的markword不一样了。怎么补救？就是进入mutex前，compare一下obj的markword状态，确认该markword是否被其他线程持有。此时如果线程已经释放了markword，那么通过CAS后就可以直接进入线程，无需进入mutex，就这个作用。
3.尝试获取锁线程视角：如果线程尝试获取锁的时候，轻量锁正被其他线程占有，那么它就会修改markword，修改重量级锁，表示该进入重量锁了。
自旋锁
自旋锁原理非常简单，如果持有锁的线程能在很短时间内释放锁资源，那么那些等待竞争锁的线程就不需要做内核态和用户态之间的切换进入阻塞挂起状态，它们只需要等一等（自旋），等持有锁的线程释放锁后即可立即获取锁，这样就避免用户线程和内核的切换的消耗。
优点
自旋锁尽可能的减少线程的阻塞，这对于锁的竞争不激烈，且占用锁时间非常短的代码块来说性能能大幅度的提升，因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起再唤醒的操作的消耗，这些操作会导致线程发生两次上下文切换！
缺点
但是如果锁的竞争激烈，或者持有锁的线程需要长时间占用锁执行同步块，这时候就不适合使用自旋锁了，因为自旋锁在获取锁前一直都是占用cpu做无用功，占着茅坑又不拉屎，同时有大量线程在竞争一个锁，会导致获取锁的时间很长，线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操作的消耗，其它需要CPU的线程又不能获取到cpu，造成cpu的浪费。所以这种情况下我们要关闭自旋锁；
