一步一步学多线程-synchronized

Posted 2020-10-03

　　当线程执行请求synchronized方法或块时，monitor会设置几个虚拟逻辑数据结构来管理这些多线程。

　　

　　

　　请求的线程会首先被加入到线程排队队列中，线程阻塞，当某个拥有线程锁的线程unlock之后，则排队队列里的线程竞争上岗（synchronized是不公平竞争锁），如果运行的线程调用对象wait()后就释放锁并进入wait线程集合那边，当调用对象的notify()或notifyall()后，wait线程就到排队那边。

重量级锁

　　在JVM规范中描述：每个对象有一个监视器锁（monitor）。当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下：

　　1、  如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，如果将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者。

　　2、  如果线程已经占有monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1.

　　3、  如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，知道monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权。

 　　Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来完成，其实wait/notify等方法也依赖于monitor对象，这就是为什么只有在同步块或者方法中才能调用wait/notify等方法，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。

　　Synchronized是通过对象内部的一个叫做监视器锁（monitor）来实现的。

         但是其本质又是依赖于底层的操作系统的互斥锁（Mutex Lock）来实现的。而操作系统实现线程之间的切换这就需要用户转换到和心态，这个成本非常高，状态之间的转换需要相对较长的时间，这就是为什么Synchronized效率低的原因。

         因此，这种依赖于操作系统互斥锁（Mutex Lock）所实现的锁我们称之为“重量级锁”。

         当多线程环境进入synchronized区域的线程没有竞争时，JVM并不会马上创建重量级锁，而是使用偏向锁或者轻量级锁，当存在资源竞争的情况下才会使用重量级锁。

轻量级锁

　　轻量级锁的核心思想：被加锁的代码不会发生并发，如果发生并发，那就膨胀成重量级锁（膨胀即是锁升级）。

       根据轻量级锁的实现，我们知道虽然轻量级锁不支持并发，遇到并发就要膨胀为重量级锁，但是轻量级锁可以支持多个线程以串行的方式访问同一个锁对象。

偏向锁

　　偏向锁的核心思想：假设加锁的代码自始至终只有一个线程调用，如果发现多于一个线程调用，即使没有线程间竞争，也会把锁升级为轻量级锁。

自旋锁

　　当线程阻塞后，如果进入排队队列需要CPU从用户态转为核心态，尤其当遇到频繁的阻塞和唤醒对CPU来说负荷很重。统计发现，很多对象锁的锁定状态持续的时间很短，此时在这么短的时间内进行线程频繁切换资源耗费严重。所以此时引出了自旋锁的概念。

 　　所谓“自旋”，就是monitor并不把线程阻塞放入排队队列，而是去执行一个无意义的循环，循环结束后看看是否锁已释放并直接进行竞争上岗步骤，如果竞争不到继续自旋循环，循环过程中线程的状态一直处于running状态。明显自旋锁似的synchronized的对象锁方式在线程之间引入了不公平。但是这样可以保证大吞吐率和执行效率。

 　　不过虽然自旋锁方式省去了阻塞线程的时间和空间（队列的维护等）开销，但是长时间自旋也是很低效的。所以自旋的次数一般控制在一个范围内，如10,50等（在JDK1.6中默认为10次），在超出这个范围后，线程就进入排队队列。

自适应自旋锁

　　就是自旋的次数是通过JVM在运行时收集的统计信息，动态调整自旋锁的自旋次数上界。

对象头

         介绍了这几种锁，那么程序是通过什么来实现对象锁的呢？首先来看对象头的结构。

　　　　

　　在Hotspot虚拟机的对象头上主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段），Klass Pointer（类型指针）。其中Klass Pointer是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，Mark Word用于存储对象自身的运行时数据，它是各种锁的关键。

　　Mark Word中的结构大致如此

　　

轻量级锁的获取和释放

获取锁

　　1、  判断当前对象是否处于无锁状态，若是，则JVM首先将当前线程的栈帧中建立一个名为所记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝。否则执行步骤3。

　　2、  JVM利用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，如果成功表示竞争到锁，则将锁标志位变成00（表示此对象处于轻量级锁状态），执行同步操作，如果失败则执行步骤3。

　　3、  判断当前对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是则表示当前线程已经持有当前对象的锁，则直接执行同步代码块；否则只能说明该锁对象已经被其他线程抢占了，这时轻量级锁需要膨胀为重量级锁，锁标志位变成10，后面等待的线程将会进入阻塞状态。

释放锁

轻量级锁的释放也是通过CAS操作来进行的，主要步骤如下

1、  取出在获取轻量级锁保存在Mark Word中的数据；

2、  用CAS操作将取出的数据替换当前对象的Mark Word中，如果成功，则说明锁释放成功，否则执行3.

3、  如果CAS操作替换失败，说明有其他线程尝试获取该锁，则需要在释放所的同时需要唤醒被挂起的线程。

偏向锁的释放和获取

获取锁

　　1、  检测Mark Word是否为可偏向状态，即是否为偏向锁1，锁表示为01；

　　2、  若为可偏向状态，则测试线程ID是否为为当前线程ID，如果是，则执行步骤5，否则执行步骤3。

　　3、  如果线程ID不是当前线程ID，则通过CAS操作竞争锁，竞争成功，则将Mark Word的线程ID替换为当前线程ID，否则执行步骤4。

　　4、  通过CAS竞争锁失败，证明当前存在多线程竞争情况，当到达全局安全点，获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码块。

　　5、  执行同步代码块。

释放锁

　　偏向锁的释放采用了一种只有竞争才会释放锁的机制，线程会是不会主动释放偏向锁，需要等待其他线程来竞争。偏向锁的撤销需要等待全局安全点，步骤如下：

　　1、  暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否还处于被锁定状态

　　2、  撤销偏向锁，恢复到无锁状态或轻量级锁的状态。

参考资料

synchronized、锁、多线程同步的原理是咋样的

深入分析synchronized的实现原理