Java鎖，真的有這麼複雜嗎？

前言

做者前面也寫了幾篇關於Java併發編程，以及線程和volatil的基礎知識，有興趣能夠閱讀做者的原文博客，今天關於Java中的兩種鎖進行詳解，但願對你有所幫助

本文受趙sir原創發佈，轉載請聯繫原創 https://blog.csdn.net/qq_36094018/article/details/90140209

爲何使用synchronized

在上一章中說了volatile，在多線程下能夠保證變量的可見性，可是不能保證原子性，下面一段代碼說明：

運行上面代碼，會發現輸出flag的值不是理想中10000，雖然volatile寫入時候會通知其餘線程的工做內存值無效，從主內存重寫讀取。i++是三步操做，讀取-賦值-寫入不能保證原子性。原子性：不能被中斷要麼成功要麼失敗。

好比此時主內存的flag值10，線程1和線程2讀取到本身工做內存都是10，而後線程1在進行賦值的時候，線程2執行了，這時線程2發現本身內存的值和主內存的值同樣，並無修改，而後賦值寫入11，此時線程1運行，由於以前讀過了，會往下繼續運行寫入也是11。那麼兩個線程至關於只增長了一次。要想達到理想值，只須要修改public synchronized void increase() { flag++; }就好了。

什麼是synchronized

Java提供的一種原子性性內置鎖，Java每一個對象均可以把它當作是監視器鎖，線程代碼執行在進入synchronized代碼塊時候會自動獲取內部鎖，這個時候其餘線程訪問時候會被阻塞到隊列，直到進入synchronized中的代碼執行完畢或者拋出異常或者調用了wait方法，都會釋放鎖資源。在進入synchronized會從主內存把變量讀取到本身工做內存，在退出的時候會把工做內存的值寫入到主內存，保證了原子性。

synchronized機制

編譯後執行javap -v Test.class就會發現兩條指令。

synchronized是使用一種monitor機制，在進入鎖時候先執行monitorenter指令。退出的時候執行monitorexit指令。synchronized是可重入鎖，每一個對象中都含有一個計數器當前線程再次獲取鎖，計數器+1，退出時候計算器-1，直到計數器爲0才釋放鎖資源，喚醒其餘線程來爭搶資源。任意一個對象都擁有本身的監視器，只有在線程獲取到監視器鎖時纔會進入代碼中，不然就進入阻塞狀態。

synchronized使用場景

1. 對於普通方法，鎖是當前類實例對象。
2. 對於靜態方法，鎖是當前類對象。
3. 對於同步代碼塊，鎖是synchronized括號裏的對象。

synchronized鎖升級

synchronized在1.6之前是重量級鎖，當前只有一個線程執行，其餘線程阻塞。爲了減小得到鎖和釋放鎖帶來的性能問題，而引入了偏向鎖、輕量級鎖以及鎖的存儲過程和升級過程。在1.6後鎖分爲了無鎖、偏向鎖、輕量鎖、重量鎖，鎖的狀態在多線程競爭的狀況下會逐漸升級，只能升級而不能降級，這樣是爲了提升鎖獲取和釋放的效率。

synchronized的鎖是存貯在Java對象頭裏的，若是對象是數組類型，則虛擬機用3個字寬（Word）存儲對象頭，若是對象是非數組類型，則用2字寬存儲對象頭。1個字寬等於4個字節。

Java對象頭中的Mark Word裏默認存儲了對象是HashCode、分代年齡、和鎖標記。

在運行的時候，Mark Word裏存儲的數據會隨着鎖標誌位的變化而變化，可能會變化爲存儲如下四種形式。

偏向鎖

偏向鎖的意思將來只有一個線程使用鎖，不會有其餘線程來爭取。

獲取鎖：

1. 首先檢查Mark word中鎖的標誌是否爲01。

2. 若是是01，判斷對象頭的Mark word記錄是否爲當前線程ID，若是是執行5，不然執行3.

3. 線程ID並未只指向本身，發送CAS競爭，若是競爭成功，則將Mark Word中線程ID設置爲當前線程ID，執行5；若是未成功執行4。

4. 當到達全局安全點（在這個時間點上沒有正在執行的字節碼）時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。

5. 執行同步代碼。 撤銷鎖：偏向鎖使用了一種等到競爭出現才釋放鎖的機制，因此當其餘線程嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的線程纔會釋放鎖。須要等待全局安全點，它首先暫停原持有偏向鎖的線程，而後檢查線程是否還在活着，若是線程處於未活動狀態，則釋放鎖標記，若是處於活動狀態則升級爲輕量級鎖。

CAS

CAS全稱是Compare And Swap 即比較並交換，使用樂觀鎖機制，包含三個操做數 —— 內存位置（V）、預期原值（A）和新值(B)。 若是內存位置的值與預期原值相匹配，那麼纔會將該位置值更新爲新值 。不然，處理器不作任何操做。

輕量級鎖

線程在執行同步代碼塊以前，JVM會先在當前線程的棧楨中建立用於存儲鎖記錄的空間，並將對象頭中的Mark Word複製到鎖記錄中，官方稱爲Displaced Mark Word。

加鎖：

1. CAS修改Mark Word，若是成功指向棧中鎖記錄的指針執行3，若是失敗執行2.
2. 發生自旋，自旋到必定次數，若是修改爲功執行3，不然鎖膨脹爲重量級鎖。
3. 執行同步代碼塊。

解鎖： 輕量級解鎖時，會使用原子的CAS操做將Displaced Mark Word替換回到對象頭，若是成功，則表示沒有競爭發生。若是失敗，表示當前鎖存在競爭，鎖就會膨脹成重量級鎖。

鎖的優缺點

完全搞懂鎖升級

lock

它是在1.5以後提供的一個獨佔鎖接口，它的實現類是ReentrantLock，相比較synchronized這種隱式鎖（不用手動加鎖和釋放鎖）的便捷性，可是提供了更加鎖的可操做性、可中斷的獲取鎖以及超時獲取鎖等多種synchronized不具有的特性。

使用方法

在finally中釋放鎖，目的保證獲取鎖最終被釋放。不要在獲取鎖寫在try裏，由於若是在獲取鎖時發生了異常，異常拋出的同時，也會致使鎖無端釋放。

AQS

AQS是隊列同步器（AbstractQueuedSynchronizer），是用來構建鎖或者其餘同步器的基礎框架，它使用了一個int成員變量表示同步狀態，經過內置的FIFO隊列來完成資源獲取的線程排隊工做問題。AQS在內部維護了一個單一的狀態信息state，能夠經過getState、setState、compareAndSetState（CAS操做）修改此值，對於ReentrantLock來講，state能夠用來表示當前線程獲取鎖的可重入次數。ReentrantLock中當一個線程獲取了鎖，在AQS的內部會進行compareAndSetState將state變爲1，若是再次獲取就設置爲2，釋放鎖也會去修改state值，只有當值變爲0時，其餘線程才能得到鎖。

鎖的介紹

AQS底層維護state和隊列來實現獨佔和共享兩種鎖。

**獨佔鎖：**每次只能有一個線程能持有鎖，如lock、synchronized。 **共享鎖：**容許多個線程同時獲取鎖，併發訪問共享資源，如ReadWriteLock。

lock分爲公平鎖和非公平鎖，實現了AQS接口，經過FIFO設置鎖的優先級。

**公平鎖：**根據線程獲取鎖的時間來判斷，等待時間越久的線程優先被執行。Lock中初始化的時候ReentrantLock（true），默認爲false，效率較低由於須要判斷線程的等待時間。

**非公平鎖：**搶佔鎖資源，不能保證獲取鎖的線程優先級，效率較高，由於獲取鎖是競爭的。

二者不一樣

1. synchronized是Java的關鍵字，lock是提供的類。
2. synchronized提供不須要手動加鎖和釋放的隱式鎖，釋放鎖的條件是代碼執行完或者拋出異常自動釋放。lock必須手動加鎖和釋放鎖，另外還提供了可中斷鎖、超時獲取鎖、判斷鎖狀態。
3. synchronized是可重入、不可中斷、非公平，lock是可重入、可中斷、公平（二者皆可）
4. synchronized適合代碼量少的同步，lock適合代碼量同步多的。**

Condition接口

還記得在Java併發二中有一道生產者消費者，使用的是synchronized+wait（notify），lock中也提供了這種等待通知類型的方法await和signal，當前線程調用這些方法時，須要提早獲取到Condition對象關聯的鎖，Condition是依賴於Lock對象，調用lock對象中的newCondition。

老樣子仍是先定義一個容器：

生產者：啓5個線程往容器裏添加數據。

消費者：啓10線程消費數據

最後

註釋基本明確，就很少說了。wait和notify是配合synchronized使用，await和signal是配合lock使用，區別在於喚醒時notify不能指定線程喚醒，signal能夠喚醒具體的線程，更小的粒度控制鎖。

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