多線程之synchronized實現原理

synchronized實現原理
synchronized能夠保證方法或者代碼塊在運行時，同一時刻只有一個方法能夠進入到臨界區，同時它還能夠保證共享變量的內存可見性
Java中每個對象均可以做爲鎖：
一、靜態同步方法，鎖是當前類的class文件
二、普通同步方法，鎖是當前對象，this
三、同步代碼塊，鎖是括號內的對象
當一個線程訪問同步代碼塊的時候，必須先得到鎖，退出或拋出異常的時候要釋放鎖。
同步代碼塊中synchronized的實現：

同步代碼塊是使用monitorenter和monitorexit指令實現的.
monitorenter指令：插入同步代碼塊的開始位置，監視器進入，獲取鎖；
monitorexit指令：插入同步代碼塊結束位置，監視器退出，釋放鎖

任何對象都有一個monitor與之關聯，當且一個monitor被持有之後，將處於鎖定狀態。線程執行到monitorenter指令時，將會嘗試獲取對象所對應的monitor全部權，即嘗試獲取對象的鎖。
同步方法：synchronized方法則會被翻譯成普通的方法調用和返回執行：invokevirtual、areturn指令，在虛擬機字節碼層面沒有任何特別的指令來實現被synchronized修飾的方法，而在class文件的方法表中將該方法的access_flags字段中的synchronized標誌位置1，表示該方法是同步方法並使用調用該方法的對象或該方法所屬的Class在JVM的內部對象表示Kclass做爲鎖對象。
Java對象頭
synchronized用的鎖存在Java對象頭中。Hotspot虛擬機的對象頭主要包括兩部分數據：Mark Word（標記字段）、Kclass Pointer（類型指針）。
Kclass Point是對象指向它的類元數據的指針，虛擬機經過這個指針肯定這個對象是哪一個類的實例。
Mark Word用於存儲對象自身的運行時數據，它是實現輕量級鎖和偏向鎖的關鍵。
Mark Word
Mark Word用於存儲對象自身的運行時數據，如哈希碼、gc分代年齡、鎖狀態標誌、線程持有的鎖、偏向線程ID等。Java對象頭通常佔兩個機器碼、若是對象是數組類型，則須要三個機器碼，由於JVM虛擬機須要經過Java對象的元數據肯定Java對象的大小，可是沒法從數組中的元數據確認數組的大小，因此須要額外一塊記錄數組的長度。

Java對象頭的存儲結構：（32位虛擬機）
25Bit 哈希碼
4bit 對象的分代年齡
1bit 是否偏向鎖
2bit 鎖標誌位

對象頭信息是與對象自身定義的數據五官的額外存儲成本，可是考慮到虛擬機的空間效率，Mark Word被設計成一個非固定的數據結構以便在極小的空間內存存儲儘可能多的數據，它會根據對象的狀態複用再寄的存儲空間，也就是說，Mark Word會隨着程序的運行發生改變。
Monitor
Monitor能夠理解爲一個同步工具，也能夠額描述爲一種同步機制，一般被描述爲一個對象。
全部對象是天生的Monitor，每個對象都有成爲Monitor的潛質，在Java設計中，每個對象建立就有一把看不見的鎖，它叫作內部鎖或Monitor鎖。
Monitor是線程私有的數據結構，每個線程都有一個可用的minitor record列表，同時還有一個全局的可用列表。每個被鎖住的對象都會和一個minitor關聯（對象頭的MarkWord中的LockWprd指向monitor的起始地址），同時monitor中有一個Owner字段存放擁有該鎖的線程的惟一標識，表示該鎖被這個線程佔用。

Owner：初始爲NULL表示當前沒有線程擁有該monitor record，當線程成功擁有該鎖後保存線程惟一標識，鎖釋放設置爲null
EntryQ ：關聯一個系統互斥鎖，阻塞全部試圖鎖住mointor record失敗的線程
RcThis ：表示blocked或waiting在該monitor record上的全部線程的個數
Nest ：用來實現重入鎖的計數
HashCode ：保存對象頭拷貝過來的哈希值
Candidate：用來避免沒必要要的阻塞或等待線程喚醒，由於每一次只有一個線程可以成功擁有鎖，若是每次前一個釋放鎖的線程喚醒全部阻塞或等待的線程，會引發沒必要要的上下文切換（從阻塞到就緒而後由於競爭失敗又被阻塞）從而致使性能降低。值爲0表示沒有須要喚醒的線程，1表示要喚醒一個線程競爭鎖。

鎖的四種狀態：無鎖狀態、偏向鎖狀態、輕量級鎖狀態、重量級鎖狀態，會隨着競爭的激烈逐漸升級。
鎖能夠升級，不能被降級。
自旋鎖
線程的阻塞和喚醒須要CPU從用戶態轉爲核心態，頻繁的阻塞和喚醒對CPU是一件負擔很重的工做，勢必給系統併發帶來很大的壓力，同時在許多應用上面，對象鎖的鎖狀態只會持續很短的一段時間，爲了這段不多的時間頻繁阻塞和喚醒鎖是很是不值得的，因此引入自旋鎖。
自旋鎖就是讓該線程等待一段時間，不會被當即掛起，看持有鎖的線程是否會很快釋放鎖。這裏經過一段無心義的循環進行等待（自旋）
自旋等待不能代替阻塞，雖然能夠避免線程切換帶來的開銷，可是佔用了處理器的時間。若是持有鎖的線程很快釋放了鎖，那麼自旋的效率就很是好，反之，自旋的線程就會白白消耗掉處理的資源。
可使用-XX:+UseSpinning開啓，在JDK1.6中默認開啓，默認次數爲10，能夠經過參數-XX:PreBlockSpin來調整。
適應自旋鎖
適應自旋鎖就是自旋的次數不是固定的，由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態來決定。
線程若是自旋成功了，那麼下次自旋的次數就會更加多，由於虛擬機認爲上次成功了，這次自旋也頗有可能會再次成功，就會容許自旋等待持續的次數更多。反之減小。
鎖消除
爲了保證數據的完整性，咱們在進行操做時須要對這部分操做進行同步控制，可是有些狀況下，JVM檢測到不可能存在共享數據競爭，這時JVM就會對這些同步鎖進行消除。
鎖消除的依據是逃匿分析的數據支持。
變量是否逃逸，對虛擬機來講須要使用數據流分析肯定。
可是開發者不清楚，有些時間使用StringBuffer、Vector等的時候會存在隱形的加鎖操做，在這裏虛擬機會明顯檢測到能夠進行鎖消除。
鎖粗化
在使用同步鎖的時候，須要讓同步塊的做用範圍儘量小，僅在共享數據的實際做用域中進行同步。這樣作的目的是爲了使須要同步的操做數量儘量縮小。若是存在鎖競爭，那麼等待鎖的線程也能儘快拿到鎖。可是一系列的加鎖解鎖操做，可能會致使沒必要要的性能損耗，因此引入鎖粗化的概念。
鎖粗化就是將多個連續的加鎖、解鎖鏈接在一塊兒，擴展成一個範圍更大的鎖。
輕量級鎖
引入輕量級鎖的目的主要是在沒有多線程競爭的前提下，減小傳統的重量級鎖使用操做系統互斥量產生的性能消耗。當關閉偏向鎖功能或多個線程競爭偏向鎖致使偏向鎖升級爲輕量級鎖，則會嘗試獲取輕量級鎖。
獲取鎖：

一、判斷當前對象是否處於無鎖狀態（hashcode、0、01），如果，則JVM首先將在當前線程的棧幀中創建一個名爲鎖記錄（Lock Record）的空間，用於存儲鎖對象目前的Mark Word的拷貝（官方把這份拷貝加了一個Displaced前綴，即Displaced Mark Word）；不然執行步驟（3）；
二、JVM利用CAS操做嘗試將對象的Mark Word更新爲指向Lock Record的指正，若是成功表示競爭到鎖，則將鎖標誌位變成00（表示此對象處於輕量級鎖狀態），執行同步操做；若是失敗則執行步驟（3）；
三、判斷當前對象的Mark Word是否指向當前線程的棧幀，若是是則表示當前線程已經持有當前對象的鎖，則直接執行同步代碼塊；不然只能說明該鎖對象已經被其餘線程搶佔了，這時輕量級鎖須要膨脹爲重量級鎖，鎖標誌位變成10，後面等待的線程將會進入阻塞狀態；

釋放鎖

一、取出在獲取輕量級鎖保存在Displaced Mark Word中的數據；
二、用CAS操做將取出的數據替換當前對象的Mark Word中，若是成功，則說明釋放鎖成功，不然執行（3）；
三、若是CAS操做替換失敗，說明有其餘線程嘗試獲取該鎖，則須要在釋放鎖的同時須要喚醒被掛起的線程。

輕量級鎖性能提高的依據是對於絕大部分的鎖，在整個生命週日內都是不會存在競爭的，若是打破這個依據則除了互斥的開銷外，還有額外的CAS操做，所以有多線程競爭的狀況下，輕量級鎖比重量級鎖更慢。
偏向鎖
爲了在無多線程競爭的狀況下儘可能減小沒必要要的輕量級鎖執行路徑（減小沒必要要的CAS操做）
獲取鎖

一、檢測Mark Word是否爲可偏向狀態，便是否爲偏向鎖1，鎖標識位爲01
二、若爲可偏向狀態，則測試線程ID是否爲當前線程ID，若是是，則執行步驟（5），不然執行步驟（3）；
三、若是線程ID不爲當前線程ID，則經過CAS操做競爭鎖，競爭成功，則將Mark Word的線程ID替換爲當前線程ID，不然執行線程（4）；
四、經過CAS競爭鎖失敗，證實當前存在多線程競爭狀況，當到達全局安全點，得到偏向鎖的線程被掛起，偏向鎖升級爲輕量級鎖，而後被阻塞在安全點的線程繼續往下執行同步代碼塊；
五、執行同步代碼塊

釋放鎖

偏向鎖的釋放採用了一種只有競爭纔會釋放鎖的機制，線程是不會主動去釋放偏向鎖，須要等待其餘線程來競爭。偏向鎖的撤銷須要等待全局安全點（這個時間點是上沒有正在執行的代碼）。其步驟以下：
一、暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對象石是否還處於被鎖定狀態；
二、撤銷偏向蘇，恢復到無鎖狀態（01）或者輕量級鎖的狀態；

重量級鎖
重量級鎖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

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