多线程系列 - 基础篇02 - 同步的原理 及 锁在应用层的优化思路 60%
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1.synchronized实现同步的基础：
①: 对于普通方法，锁是当前实例对象；
②：对于静态同步方法，锁是class对象。
③：同步方法块，锁是synchronized后面括号里的对象。
当一个线程试图访问同步代码块时，它首先必须得到锁，退出或抛出异常时必须释放锁。
那么锁存在哪里呢？
锁里面会存储什么信息呢？
2.同步的原理
JVM规范规定JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，但两者的实现细节不一样。
代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现，而方法同步是使用另外一种方式实现的，细节在JVM规范里并没有详细说明，但是方法的同步同样可以使用这两个指令来实现。
① monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处。
② JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。
③ 任何对象都有一个 monitor 与之关联，当且一个monitor 被持有后，它将处于锁定状态。
④ 线程执行到 monitorenter 指令时，将会尝试获取对象所对应的 monitor 的所有权，即尝试获得对象的锁。
2.1JAVA对象头
锁存在Java对象头里。如果对象是数组类型，则虚拟机用3个Word（字宽）存储对象头，如果对象是非数组类型，则用2字宽存储对象头。
在32位虚拟机中，一字宽等于四字节，即32bit。
| 长度 | 内容 | 说明 |
| 32/64bit | Mark Word | 存储对象的hashCode或锁信息等。 |
| 32/64bit | Class Metadata Address | 存储到对象类型数据的指针 |
| 32/64bit | Array length | 数组的长度（如果当前对象是数组） |
Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode，分代年龄和锁标记位。32位JVM的Mark Word的默认存储结构如下：
| 25 bit | 4bit | 1bit是否是偏向锁 | 2bit锁标志位 | |
| 无锁状态 | 对象的hashCode | 对象分代年龄 | 0 | 01 |
在运行期间Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word可能变化为存储以下4种数据：
| 锁状态 |
25 bit |
4bit |
1bit | 2bit | ||
| 23bit | 2bit | 是否是偏向锁 | 锁标志位 | |||
| 轻量级锁 | 指向栈中锁记录的指针 | 00 | ||||
| 重量级锁 | 指向互斥量（重量级锁）的指针 | 10 | ||||
| GC标记 | 空 | 11 | ||||
| 偏向锁 | 线程ID | Epoch | 对象分代年龄 | 1 | 01 | |
在64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的，其存储结构如下：
| 锁状态 |
25bit |
31bit |
1bit |
4bit |
1bit | 2bit | |
| cms_free | 分代年龄 | 偏向锁 | 锁标志位 | ||||
| 无锁 | unused | hashCode | 0 | 01 | |||
| 偏向锁 | ThreadID(54bit) Epoch(2bit) | 1 | 01 |
||||
2.2锁的升级
Java SE1.6为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，
所以在Java SE1.6里锁一共有四种状态，无锁状态，偏向锁状态，轻量级锁状态和重量级锁状态，它会随着竞争情况逐渐升级。
锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。
这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率，下文会详细分析。
2.3偏向锁
Hotspot的作者经过以往的研究发现大多数情况下锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。
1)当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，
2)以后该线程在进入和退出同步块时不需要花费CAS操作来加锁和解锁，而只需简单的测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁，
3.1)如果测试成功，表示线程已经获得了锁；
3.2)如果测试失败，则需要再测试下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁），
3.2.1) 如果没有设置，则使用CAS竞争锁；
3.2.2) 如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。
偏向锁的撤销：偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。
偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），
它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着，
如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态，
如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，
栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程，
要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。
下图中的线程1演示了偏向锁初始化的流程，线程2演示了偏向锁撤销的流程。
关闭偏向锁：偏向锁在Java 6和Java 7里是默认启用的，但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活，如有必要可以使用JVM参数来关闭延迟-XX：BiasedLockingStartupDelay = 0。如果你确定自己应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态，可以通过JVM参数关闭偏向锁-XX:-UseBiasedLocking=false，那么默认会进入轻量级锁状态。
2.4轻量级锁
轻量级锁加锁：
线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。
然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。
如果成功，当前线程获得锁，
如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。
轻量级锁解锁：
轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作来将Displaced Mark Word替换回到对象头，
如果成功，则表示没有竞争发生。
如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。下图是两个线程同时争夺锁，导致锁膨胀的流程图。
因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋（比如获得锁的线程被阻塞住了），一旦锁升级成重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。
当锁处于这个状态下，其他线程试图获取锁时，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。
3.锁的优缺点对比
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锁 |
优点 |
缺点 |
适用场景 |
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偏向锁 |
加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法比仅存在纳秒级的差距。 |
如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗。 |
适用于只有一个线程访问同步块场景。 |
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轻量级锁 |
竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度。 |
如果始终得不到锁竞争的线程使用自旋会消耗CPU。 |
追求响应时间。 同步块执行速度非常快。 |
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重量级锁 |
线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU。 |
线程阻塞，响应时间缓慢。 |
追求吞吐量。 同步块执行速度较长。 |
4.锁在应用层的优化思路
4.1减少锁持有的时间
TODO
4.2减小锁的粒度
ConcurrentHashMap.java
4.3锁分离
BlockingQueue.java
4.4锁粗化
5.参考源码
本文一些内容参考了Hotspot源码 。对象头源码markOop.hpp。偏向锁源码biasedLocking.cpp。以及其他源码ObjectMonitor.cpp和BasicLock.cpp。
