Java锁与synchronized

Java 锁与 synchronized

Java 内置锁 synchronized 是一把互斥锁, 这意味这同时只有一个线程能够进入锁

锁的概念

1. 自旋锁: 为了不放弃 CPU 执行事件,循环的使用 CAS 技术对数据尝试进行更新,直到成功,本质上是乐观锁的一种实现
2. 悲观锁: 假定会发生并发冲突,同步所有对数据的相关的操作,从读数据就开始上锁
3. 乐观锁: 假定没有冲突,在修改数据时如果发现数据和之前不一致,则读最新数据,再重试修改
4. 独享锁(写): 给资源加上写锁,只有一个线程可以修改,其他线程排队
5. 共享锁(读): 给资源加上读锁,其他线程只能加读锁,不能加写锁
6. 可重入锁、不可重入锁: 线程拿到锁后可以、不可以重用锁资源
7. 公平锁、不公平锁: 争抢锁的顺序,如先来后到则是公平锁

注意:不同的锁应对不同的场景,没有优劣之分,只有最适合场景的锁.

同步关键字 synchronized

Java 内置锁 synchronized
同步关键字 synchronized 属于悲观锁
属于最基本的线程通信机制，基于对象监视器实现的。
Java 中的每个对象都与一个监视器相关联，
一个线程可以锁定或解锁监视器，一次只有一个线程可以锁定监视器
特性：synchronized 是一个可重入、独享、悲观锁

synchronized 用于同步方法和代码块，执行完后自动释放锁

锁的范围:

修饰类或静态方法,类锁, 同步的内容是 class 对象和静态方法

修饰非静态方法或者 this,对象锁,同步的内容是单个对象资源

synchronized 原理

理解 Java 对象头与 Monitor

对象在内存中，有一块对象头区域，它是实现 synchronized 的基础，

对象头区域有两个部分：
第一部分(markword)，存放hashCode 值、锁状态、GC 标志等信息
第二部分，存放类型指针，指向类元数据，表名该对象属于哪个类

第一部分除了锁状态，Java6 还新增了轻量级锁和偏向锁。
synchronized 属于重量级锁

锁状态

对象头中的锁状态，存放这锁的信息

1. 有一个线程 ID
   是标记线程对象的
   线程中也有一个锁记录,来标记到锁

2. 有一个锁状态位
   标记当前锁的状态
   01:unlocked(未锁定)
   00:轻量级锁
   10:重量级锁
   11:要被 GC 回收
   线程可以通过 CAS 机制来修改锁的状态位

3. 有一个偏向锁锁状态位
   偏向锁锁状态位只有一位
   0/1: 开启或者关闭

4. 有一个锁监视器标志位
   锁监视器标志位中指针指向Monitor 对象（锁监视器）的起始地址
   每个对象都有一个Monitor 对象（锁监视器）与其关联

Monitor 对象（锁监视器）

Monitor 对象（锁监视器）中有一个指针，指向持有它的线程(_owner)
Monitor 对象还拥有两个队列， 一个是线程排队队列(_EntryList)，一个是线程阻塞队列(_WaitList)。

当持有它的对象释放它的时候，指针会重制，指向等待队列中的下一个线程，

当线程执行 wait 时,它会进入阻塞队列_WaitList,唤醒后,进入排队队列_EntryList

synchronized 就是通过这种方法来实现锁的， 这也是为什么 Java 中任意对象都可以是锁的原因。
监视器跟对象共同的生命周期,但是在没有开启重量级锁之前,监视器是空对象,_owner 在开启重量级锁后才会指向线程

偏向锁、轻量级锁、自旋锁、锁消除

偏向锁
偏向锁就是，当一个线程获得了锁，就会进入偏向模式，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即可获取锁(本质可以理解为单线程情况无锁)
(因为当只有一个线程反复操作锁的时候,不应该反复加锁, 这是额外的消耗,是需要尽量降低的)

当一个线程来获取锁,并不会第一时间修改锁状态位,而是先修改偏向锁的标志位,偏向锁默认为 1 即开启状态,还有一个线程标记,指向获取偏向锁的线程,线程要获取偏向锁,修改线程标记指向自己, 操作成功即得到锁,第二次再来访问锁时,比较当前的线程标记是否是自己,如果是,就直接访问. 但如果是第二个线程想要来获取锁,发现线程标记不是自己,就会锁升级到轻量级锁,升级后,偏向锁改为 0,即关闭偏向锁

但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就失效了，当每次申请锁的线程都是不相同的,每个线程都获得了偏向锁,就没有了偏向锁的效果了

偏向锁失败后，会升级为轻量级锁

轻量级锁
当一个线程进入锁,有线程来争抢锁时,偏向锁升级为轻量级锁
来争抢的线程会进入自旋,即循坏等待锁被释放,即自旋锁

轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合

如果存在同一时间多个线程访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

重量级锁
重量级锁即 synchronized 实现的锁, 启用锁监视器 Monitor 对象
线程自旋次数增加后升级到重量级锁, 停止自旋, 监视器启动, 监视器中的_owner 属性指向当前占有锁的线程,

锁升级是单向的,即从低到高,从轻到重,锁的等级是通过对象中的锁信息里的状态位来标识,而多线程争抢锁,就会改变这个状态位

锁消除
锁消除即消除不必要的锁,或者缩小锁的范围