[Java知识库]挑灯夜读——Java并发机制：synchronized的实现原理与应用

简介

• synchronized作为一个印象里的重量级锁，元老级的角色，其实在我们的JDK1.6之后就得到了一定的优化，不再那么的重，因为它有一系列的锁升级过程。
• 其实Java中每个对象都可以作为锁，而这种锁的表现形式为：

1、对于普通同步方法，锁是当前的实例对象
2、对于静态的同步方法，锁是当前类的Class对象
3、对于同步的方法块儿，锁是括号里配置的对象

• 而作为我们的元老级别的角色，相比它肯定有过人之处，况且，无论在我们的学习中或者面试中，总会听到一些关于synchronized的提问，可以说，只要理解了其底层原理，就会极大的了解其使用的优势。

java对象头

• 为何要提到这个对象头的知识呢？因为这个锁就是存在我们的java对象头中。

如果对象是数组类型，那么我们的虚拟机就会使用3个字宽（Word）来存储对象头。非数组类型只需要两个字宽即可。

• java对象头的存储结构如下表所示：

• 可以看到我们我们的mark word在无锁状态下，会出现如上所示的内存空间占用情况。
• 锁状态可以分为：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁等。
• 对象的hashcode则是通过我们的散列过程来计算得到。
• 对象的分代年龄是在jvm底层运行时的代数来决定。具体可以参照另一篇文章
• 是否为偏向锁则是我们判定该锁的标志位。
• 最后的锁标志位则是区分我们不同锁的标识值。

锁升级

• 我们知道在锁的创建和销毁时，都会产生一些性能的消耗，这些消耗由一些不必要的锁产生。例如我们只有一个线程，我们初始化后直接添加重量级锁，并没有起到任何作用，反而会使性能下降。

1、偏向锁

偏向锁通俗概念：在大多数情况下，我们的程序不存在多线程的竞争，也就是说我们添加轻量级锁都会增加消耗。那么我们便引进了偏向锁这个概念和应用。

• 偏向锁就是我们在线程操作这个对象时，确认无竞争对象后，我们将线程ID存放在对象头的Mark Word中，这样做的目的就是我们线程在进入和退出线程时，不需要使用CAS来操作加锁和解锁，只需要测试这个对象头是否存有该线程ID
• 如果这次测试成功，表明获得偏向锁
• 如果不成功，检查头文件中是否有偏向锁（偏向锁标志是否为1）
• 如果没有设置，通过CAS获取锁
• 如果设置了，尝试使用CAS将对象的偏向锁指向当前线程

偏向锁的释放

• 偏向锁的释放的时机从有线程竞争的时候开始，当然它的撤销点位于：全局安全点，这个点上没有执行的字节码。
• 我们先暂停所有拿该锁的线程，检查持有偏向锁的线程是否存活，如果没有活动，我们就设置对象头为无锁状态。
• 如果线程还活着，就会执行我们的偏向锁的栈，将其恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。

2、轻量级锁

• 步骤如下：

线程1和线程2访问同步块，这时都会分配空间并复制MarkWord到栈，其hashcode和age设置
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线程1通过CAS修改对象头，将对象头替换为轻量级锁。执行同步块。这时线程2进行CAS修改对象头失败，因为线程1拿到锁。
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线程2自旋获取锁，线程1未释放锁，自旋失败自旋过程一般根据JVM内部的设置进行，这个自旋次数和前面获得成功的经验相关，详细可以移步百度了解。
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线程2锁膨胀，修改为重量级锁，发生线程阻塞。线程1这时停止工作，开始通过CAS修改对象头，来修改为重量级锁，但是线程2在争夺锁，所以获取失败
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线程1释放锁，线程开始争夺锁从而访问同步块

轻量级锁解锁

• 使用原子操作来替换对象头，如果操作成功，则解除锁，失败的话，升级为重量级锁。当然一旦锁变为重量级锁，就无法变回来了。

锁的对比

总结：

• 以上是我们对synchronizated的实现原理做了简单的介绍。
• 总结起来就是我们多线程的操作实现同步的区域：代码块、静态方法、普通方法等
• 操作时，对象头的变化，会在不同的锁期间对锁的数据进行修改，特别是锁的升级过程，始终通过CAS来修改对象头的锁标志
• 锁升级过程：简化为无锁——偏向锁——轻量级锁——重量级锁，这个过程不可逆，一旦本锁不满足实现同步的条件，直接向上升级。
• 我的秋招提前批怕是要投了，奥里给。