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[系统运维]提升--06---解析Synchronized锁升级

Synchronized锁升级

多线程–10–偏向锁、轻量级锁、重量级锁、volatile

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基础知识

1. CAS算法

即compare and swap（比较与交换），是一种有名的无锁算法。无锁编程，即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。

CAS算法涉及到三个操作数

需要读写的内存值 V
进行比较的值 A
拟写入的新值 B

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CAS详情提升–05—并发编程之—原子性

2. 用户态与内核态

cpu分不同的指令级别

linux内核跑在ring 0级，用户程序跑在ring 3，对于系统的关键访问，需要经过kernel的同意，保证系统健壮性
内核执行的操作 - > 200多个系统调用 sendfile read write pthread fork
JVM -> 站在OS老大的角度，就是个普通程序

普通程序想访问直接内存,网卡,显卡的内容,都得通过操作系统去访问

内核态:
执行在内核空间,能访问所有的指令
用户态:
只能访问用户能够访问的指令

JDK早期，synchronized 叫做重量级锁，因为申请锁资源必须通过kernel, 系统调用

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汇编指令

3. 对象结构

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：

对象头（Header）、
实例数据（Instance Data）
对齐填充（Padding）。

下图是普通对象实例与数组对象实例的数据结构：

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对象头

HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息：

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.

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markword

markword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，它的最后2bit是锁状态标志位，用来标记当前对象的状态，对象的所处的状态，决定了markword存储的内容，如下表所示:

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32位虚拟机在不同状态下markword结构如下图所示：

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64位虚拟机在不同状态下markword结构如下图所示：

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锁信息被记录在 markword里面

无锁态
偏向锁
轻量锁
重量锁

查看对象结构工具：JOL = Java Object Layout

        <!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.openjdk.jol/jol-core -->
        <dependency>
            <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
            <artifactId>jol-core</artifactId>
            <version>0.9</version>
        </dependency>

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class T01_Sync1 {
    public static void main(String[] args) {
        
        Object obj = new Object();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());

        synchronized (obj) {
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
        }
    }
}

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锁的介绍

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JDK早期，synchronized 叫做重量级锁，因为申请锁资源必须通过kernel, 系统调用

1.偏向锁

Java偏向锁(Biased Locking)是Java6引入的一项多线程优化。

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。
经过统计实际多数情况下,进入synchronized 代码块,其实只有一个线程.
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。

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。

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偏向锁会记录,当前这个线程的指针到markword

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偏向锁与轻量级锁理念上的区别：

轻量级锁：

在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量

偏向锁：

在无竞争的情况下把整个同步都消除掉，连CAS操作都不做了

意义：锁偏向于第一个获得它的线程。如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。

2.轻量锁自旋锁:

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3.重量锁

- jvm向操作系统申请锁资源,需要进行用户态到内核态的切换.

- 完全依靠操作系统内部的互斥锁实现

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Synchronized 原理

monitorenter 和 monitorexit :

Synchronized 是由 JVM 实现的一种实现互斥同步的一种方式，如果你查看被 Synchronized 修饰过的程序块编译后的字节码，会发现，被 Synchronized 修饰过的程序块，在编译前后被编译器生成了monitorenter 和 monitorexit 两个字节码指令。

monitorenter
monitorexit

两个指令是什么意思呢？

在虚拟机执行到 monitorenter 指令时，首先要尝试获取对象的锁：
如果这个对象没有锁定，或者当前线程已经拥有了这个对象的锁，把锁的计数器 +1；当执行 monitorexit 指令时将锁计数器 -1；当计数器为 0 时，锁就被释放了。

如果获取对象失败了，那当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另外一个线程释放为止。 Java 中 Synchronize 通过在对象头设置标记，达到了获取锁和释放锁的目的。

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synchronized的横切面详解

java源码层级:

synchronized(o)

字节码层级

monitorenter moniterexit

JVM层级（Hotspot）

InterpreterRuntime:: monitorenter方法

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synchronizer.cpp
revoke_and_rebias

锁升级过程

new - 偏向锁 - 轻量级锁（无锁, 自旋锁，自适应自旋）- 重量级锁

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锁机制的切换是根据竞争激烈程度进行的

在几乎无竞争的条件下，会使用偏向锁
在轻度竞争的条件下，会由偏向锁升级为轻量级锁，
在重度竞争的情况下，会升级到重量级锁。

锁升级的执行过程：

偏向锁 - markword 上记录当前线程指针，下次同一个线程加锁的时候，不需要争用，只需要判断线程指针是否同一个，所以，偏向锁，偏向加锁的第一个线程。hashCode备份在线程栈上线程销毁，锁降级为无锁
有争用 - 锁升级为轻量级锁 - 每个线程有自己的LockRecord在自己的线程栈上，用CAS去争用markword的LR的指针，指针指向哪个线程的LR，哪个线程就拥有锁
自旋超过10次，JDK1.6之后由自适应自旋去做判断,升级为重量级锁 - ，进入等待队列（不消耗CPU）-XX:PreBlockSpin,直接阻塞线程，避免浪费处理器资源。