synchronized鎖自旋

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原理

一般說的synchronized在方法或塊上加鎖，這裏的鎖就是對象鎖（固然也能夠在類上面），或者叫重量鎖，在JVM中又叫對象監視器（Monitor），就是對象來監視線程的互斥。

先來回顧一下對象在堆裏的邏輯結構：

 

對象在內存中的結構看這裏》》

對象頭裏的結構大體如此：

 

其中Tag的2bit用來顯示鎖類型。一般咱們說synchronized的對象鎖，就是這裏Tag=10時的monitor對象，這裏的Monitor address就是這個monitor對象（就是重量鎖）的地址。

當多個線程同時請求synchronized方法或塊時，monitor會設置幾個虛擬邏輯數據結構來管理這些多線程。下圖是簡化了的管理結構。

 

新請求的線程會首先被加入到線程排隊隊列中，線程阻塞，當某個擁有鎖的線程unlock以後，則排隊隊列裏的線程競爭上崗（synchronized是不公平競爭鎖，下面還會講到）。若是運行的線程調用對象的wait()後就釋放鎖並進入wait線程集合那邊，當調用對象的notify()或notifyall()後，wait線程就到排隊那邊。這是大體的邏輯。

同時再看看線程的狀態圖

 

Blocked就是阻塞狀態。

wait()和sleep()最大的不一樣在於wait()會釋放對象鎖，而sleep()不會！wait、sleep、yield區別以下：

 

彷佛講到這裏，synchronized鎖和wait()、notify()來實現多線程同步就完成了。

可是，自旋鎖或自適應自旋鎖：

由於線程阻塞後進入排隊隊列和喚醒都須要CPU從用戶態轉爲核心態，尤爲頻繁的阻塞和喚醒對CPU來講是負荷很重的工做。同時統計發現，不少對象鎖的鎖定狀態只會持續很短的一段時間，例如一個線程切換週期，這樣的話在很短的時間內阻塞線程又很快喚醒線程顯然不值得，因此引入了自旋鎖概念。

所謂「自旋」，就monitor並不把線程阻塞放入排隊隊列，而是去執行一個無心義的循環，循環結束後看看是否鎖已釋放並直接進行競爭上崗步驟，若是競爭不到繼續自旋循環，循環過程當中線程的狀態一直處於running狀態。明顯自旋鎖使得synchronized的對象鎖方式在線程之間引入了不公平。可是這樣能夠保證大吞吐率和執行效率。

不過雖然自旋鎖方式省去了阻塞線程的時間和空間（隊列的維護等）開銷，可是長時間自旋也是很低效的。因此自旋的次數通常控制在一個範圍內，例如10,50等，在超出這個範圍後，線程就進入排隊隊列。

自適應自旋鎖，就是自旋的次數是經過JVM在運行時收集的統計信息，動態調整自旋鎖的自旋次數上界。

講到這裏彷佛synchronized鎖的過程更加豐滿了。

不過synchronized在運行過程當中不是一會兒就到對象鎖這個級別的，它根據線程競爭狀況會通過幾回升級變化。這裏就出現了另外幾種鎖。

輕量鎖和偏向鎖

當多線程環境進入synchronized區域的線程沒競爭時，JVM並不會立刻建立對象鎖，而是用輕量鎖或偏向鎖。

不過須要明確的是，輕量鎖和偏向鎖，都不能代替重量鎖，只不過是在沒有多線程競爭時，不必用重量鎖而無畏的消耗資源。可是一旦出現了多線程競爭時，synchronized區域的輕量鎖或偏向鎖都會當即升級爲重量鎖。

輕量鎖或偏向鎖使用的條件是進入synchronized區域時沒有其餘任何其餘線程在使用。

這時線程t訪問對象的synchronized區域時，對象頭的標誌位Tag狀態爲01，以及還有1位的偏向信息用於記錄這個對象是否可用偏向鎖。而後t在對象上申請輕量鎖時，若偏向信息爲0，代表當前對象還未加鎖，或加過偏向鎖（加過，注意是加過偏向鎖的對象只能被一樣的線程加鎖，若是不一樣的線程想要獲取鎖，須要先將偏向鎖升級爲輕量鎖，稍後會講到），在判斷對當前對象確實沒有被任何其餘線程鎖住後，便可以在該對象上加輕量鎖。

加輕量鎖的過程很簡單：在當前線程的棧幀（stack frame）中生成一個鎖記錄（lock record），這個鎖記錄比前面說的那個對象鎖（管理線程隊列的monitor）簡單多了，它只是對象頭的一個拷貝。而後把對象頭裏的tag改爲00，並把這個棧幀裏的lock record地址放入對象頭裏。若操做成功，那就完成了輕量鎖操做。若是不成功，說明有線程在競爭，則須要在當前對象上生成重量鎖來進行多線程同步，而後將Tag狀態改成10，並生成Monitor對象（重量鎖對象），對象頭裏也會放入Monitor對象的地址。最後將當前線程t排隊隊列中。

輕量鎖的解鎖過程也很簡單就是把棧幀裏剛纔的那個lock record拷貝到對象頭裏，若替換成功，則解鎖完成，若替換不成功，表示在當前線程持有鎖的這段時間內，其餘線程也競爭過鎖，而且發生了鎖升級爲重量鎖，這時須要去Monitor的等待隊列中喚醒一個線程去從新競爭鎖。

偏向鎖是比輕量鎖還輕量的鎖機制。當synchronized區域長期都由同一個線程加鎖、解鎖時，jvm就用偏向鎖來作，它的加鎖解鎖比輕量鎖操做起來指令更加簡化。不過一旦有其餘線程使用synchronized區域，即便沒有線程間競爭，也會把偏向鎖升級爲輕量鎖，固然若是發生線程競爭就再升級爲對象鎖。

鎖的公平與不公平：公平鎖是指線程得到鎖的順序按照fifo的原則，先排隊的先得。非公平鎖指每一個線程都先要競爭鎖，無論排隊前後，因此後到的線程有可能無需進入等待隊列直接競爭到鎖。

非公平鎖雖然可能致使某些線程飢餓，可是鎖的吞吐率是公平鎖好幾倍，synchronized是一個典型的非公平鎖方案，並且無法作成公平鎖。

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