Java多線程synchronized關鍵字引出的多種鎖

前言

Java 中的 synchronized關鍵字能夠在多線程環境下用來做爲線程安全的同步鎖。本文不討論 synchronized 的具體使用，而是研究下synchronized底層的鎖機制，以及這些鎖分別的優缺點。

1、synchronized機制

synchronized關鍵字是JAVA中經常使用的同步功能，提供了簡單易用的鎖功能。 synchronized有三種用法，分別爲:

• 用在普通方法上，可以鎖住當前對象。
• 用在靜態方法上，可以鎖住類
• 用在代碼塊上，鎖住的是synchronized()裏的對象

在JDK6以前，synchronized使用的是重量級鎖制，在以後synchronized加入了鎖膨脹機制，顯著提高了synchronized關鍵字的效率。

基於synchronized關鍵字，咱們來了解下幾種類別的鎖，而且講解synchronized的鎖膨脹機制。

synchronized鎖是非公平鎖。而且一個被synchronized鎖住的對象或類，就是一把鎖。

另一提，全部鎖都是存儲在Java對象頭裏的，Java對象頭裏的Mark Word裏默認存儲對象的HashCode，分代年齡和鎖標記位。也就是說Mark Word記錄了鎖的狀態

2、鎖膨脹機制與幾類鎖

鎖膨脹是不可逆的

2.1 偏向鎖

synchronized在JDK1.6之後默認開啓偏向鎖，synchronized最初都是偏向鎖

表現：一個線程獲取鎖成功後，會在對象頭裏記錄線程ID，之後該線程獲取和釋放鎖都沒有任何花費。（由於該鎖已經被綁定在該線程上了，且在膨脹前不會改變），若是其餘線程嘗試獲取這個鎖，偏向鎖將會膨脹爲輕量鎖。

優勢：在只有一個線程使用鎖的時候獲取和退出鎖沒有任何花費

缺點：鎖競爭激烈會很快升級爲輕量鎖，那麼維持偏向鎖的過程就是在浪費計算機資源。（不過由於偏向鎖自己就很輕量，所以浪費的資源並很少）

小結：只有一個線程使用鎖的狀況下，synchronized使用的鎖爲偏向鎖。 若是鎖競爭激烈，能夠經過配置JDK禁用偏向鎖。

2.2 輕量鎖

一把鎖不止一個線程使用，則偏向鎖膨脹爲輕量鎖

表現：線程獲取輕量鎖時，會直接用CAS修改對象頭裏鎖的記錄，若是修改失敗，表明此時鎖存在多個線程的競爭，輕量鎖將會膨脹爲重量鎖。

優勢：在線程之間使用鎖不存在競爭時，一次CAS操做就能獲取和退出鎖

缺點：與偏向鎖相似

小結：只要一把鎖不止一個線程獲取過，偏向鎖就會膨脹爲輕量鎖。

2.3 重量鎖

一把鎖存在多線程競爭，則輕量鎖開始自旋，自旋必定次數後仍沒獲取鎖，則膨脹爲重量鎖(存在競爭時，輕量鎖雖然會先自旋，可是最終每每都會膨脹爲重量鎖)

表現：線程獲取重量鎖時，若是獲取失敗（即鎖已被其餘線程獲取），則使用自適應自旋鎖,自旋必定次數後仍沒獲取鎖，則進入阻塞隊列等待。

優勢：未獲取到的鎖進入阻塞隊列，節約CPU資源。（好吧感受實際上是沒有啥優勢）

缺點：重量鎖是經過對象內部的監視器（monitor）實現，其中monitor的本質是依賴於底層操做系統的Mutex Lock實現，操做系統實現線程之間的切換須要從用戶態到內核態的切換，切換成本很是高。

小結：只要一把鎖存在多線程競爭，輕量鎖就會膨脹爲重量鎖。

自旋鎖

synchronized的輕量鎖，重量鎖，使用了自適應自旋鎖進行性能優化

首先介紹自旋鎖

表現：線程獲取鎖失敗後，不會進入阻塞等待，而是再次嘗試去獲取鎖，如此反覆，直到獲取到鎖，或者自旋結束那麼會阻塞等待。

解決問題：在某些場景下，線程持有鎖的時間很是短。在線程獲取鎖失敗後，若是線程進入阻塞將會帶來線程上下文的切換，上下文切換的時間可能反而高於線程反覆嘗試獲取鎖的時間。 此時線程原地等待去重複獲取鎖。反而在性能上更有優點。

缺點：

1. 單核CPU沒有線程並行，反覆嘗試會致使進程沒法繼續運行。
2. 重複嘗試致使了CPU的佔用，若是CPU資源緊張的話反而會性能降低
3. 若是鎖的競爭時間過長，不只沒有性能提高，還浪費了大量CPU資源。

優化：使用自適應自旋鎖。自適應自旋鎖會根據以前的鎖獲取記錄，優化調整自旋時間，避免形成沒必要要的自旋。

3、具體synchronized流程

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