synchronized与CAS

参考：java3y《对线面试官》

synchronized

synchronized是⼀种互斥锁，⼀次只能允许⼀个线程进⼊被锁住的代码块
synchronized是Java的⼀个关键字，它能够将代码块/⽅法锁起来
如果synchronized修饰的是实例⽅法，对应的锁则是对象实例
如果synchronized修饰的是静态⽅法，对应的锁则是当前类的Class实例
如果synchronized修饰的是代码块，对应的锁则是传⼊synchronized的对象实例

自动加锁和释放锁   Lock是手动加锁和释放锁

JDK1.6之前是重量级锁。

 

-- java3y《对线面试官》

 

底层原理

同步代码块是通过monitorenter和monitorexit来实现，当线程执行到monitorenter的时候要先获得monitor锁，才能执行后面的方法。当线程执行到monitorexit的时候则要释放锁

同步方法是通过设置ACC_SYNCHRONIZED标志来实现，当线程执行有ACC_SYNCHRONI标志的方法，需要获得monitor锁。

每个对象维护一个加锁计数器，为0表示可以被其他线程获得锁，不为0时，只有当前锁的线程才能再次获得锁。

同步方法和同步代码块底层都是通过monitor来实现同步的。

每个对象都与一个monitor对象相关联，线程可以占有或者释放monitor，monitor对象中存储着当前持有锁的线程以及等待锁的线程队列

内存中对象一般由三部分组成，分别是对象头、对象实际数据和对其填充，对象头里有Mark Word，Mark Word会记录对象关于锁的信息，有指针指向monoitor

 

 

--掘金社区 https://juejin.cn/post/6844903918653145102、  java3y

monitor是什么

可以理解为一种同步工具，或者说是同步机制，操作系统的管程是概念原理，ObjectMonitor是它的原理实现。

对象与monitor怎么关联

• 对象里有对象头
• 对象头里面有Mark Word
• Mark Word指针指向了monitor

 

JDK1.6优化

JDK1.6之前 它加锁是依赖底层操作系统的 mutex 相关指令实现，所以会有⽤户态和内核态之间的切换，性能损耗⼗分明显

JDK1.6增加了适应性自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁和偏向锁等优化策略。在jvm层面实现加锁逻辑，不依赖底层操作系统，就没有切换的消耗

 什么是用户态和内核态

内核态：cpu可以访问内存的所有数据，包括外围设备，例如硬盘，网卡，cpu也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。

用户态：只能受限的访问内存，且不允许访问外围设备，占用cpu的能力被剥夺，cpu资源可以被其他程序获取。

 

区别就是对于资源的访问权限不一样

偏向锁

偏向锁指的就是JVM会认为只有某个线程才会执⾏同步代码（没有竞争的环境）

 

在Mark Word会直接记录线程ID，只要线程来执⾏代码了，会⽐对线程ID是否相等，相等则当前线程能直接获取得到锁，执⾏同步代码

如果不相等，则⽤CAS来尝试修改当前的线程ID，如果CAS修改成功，那还是能获取得到锁，执⾏同步代码

如果CAS失败了，说明有竞争环境，此时会对偏向锁撤销，升级为轻量级锁

 

 

轻量级锁

在轻量级锁状态下，当前线程会在栈帧下创建Lock Record，Lock Record 会把Mark Work的信息拷贝进去，且有个Owner指针指向加锁的对象

线程执行到同步代码时，则用CAS试图将Mark Word的指针指向线程栈帧的Lock Record，假设CAS修改成功，则获取得到轻量级锁

修改失败则自旋重试，自旋一定次数后，则升级为重量级锁

 

Lock Record

锁记录对象，存放在栈帧上，持有displaced word和锁住对象的元数据； 解释器使用lock record来检测非法的锁状态；

隐式地充当锁重入机制的计数器；

 

综述

synchronized锁原来只有重量级锁，依赖操作系统的mutex指令，需要用户态和内核态切换，性能损耗十分明显

重量级锁用到monitor对象，而偏向锁则在Mark Word记录线程ID进行比对，轻量级锁则是拷贝Mark Word到Lock Record，用CAS+自旋的

式获取

 

 

 引入了偏向锁和轻量级锁，就是为了在不同的使用场景使用不同的锁，进而提高效率。锁只有升级，没有降级

只有一个线程进入临界区-》偏向锁

多个线程交替进入临界区-》轻量级锁

多线程同时进入临界区-》重量级锁

 

 

CAS

compare and swap，⽐较并交换是⼀个原⼦性的操作，对应到CPU指令为lock cmpxchg

有三个操作数：当前值A、内存值V、要修改的新值B

假设 当前值A 跟 内存值V 相等，那就将 内存值V 改成B

假设 当前值A 跟 内存值V 不相等，要么就重试，要么就放弃更新

将当前值与内存值进⾏对⽐，判断是否有被修改过，这就是CAS的核⼼

 

 

 为什么要用CAS

synchronized锁每次只会让⼀个线程去操作共享资源

⽽CAS相当于没有加锁，多个线程都可以直接操作共享资源，在实际去修改的时候才去判断能否修改成功

在很多的情况下会比synchronized锁要⾼效很多

⽐如，对⼀个值进⾏累加，就没必要使⽤synchronized锁，使⽤juc包下的Atomic类就⾜以 （atomic包下采用的是CAS）

有什么缺点

会带来ABA的问题，因为只⽐对当前值和内存值是否相等

线程A拿到当前值10，线程B修改内存值为20，线程C又改回来，当线程A去判断当前值和内存值是否相等的时候，发现是相等的，线程A是可

以修改的，它觉得值没有发生过变化

解决：java提供了AtomicStampedReference类供我们⽤，就是引入版本，比对的是内存值+版本值是否一致

 

CAS是原子操作为什么会有ABA问题

https://www.jianshu.com/p/72d02353dc7e

在CAS算法中，需要取出内存中某时刻的数据（由用户完成），在下一时刻比较并替换（由CPU完成，该操作是原子的）。这个时间差中，会导致数据的变化。

 

在读取内存值，然后进行CAS（原子）操作之间的这个时间段，是可能发生ABA问题的

推荐使⽤ LongAdder 对象

阿⾥巴巴开发⼿册提及到 推荐使⽤ LongAdder 对象，⽐ AtomicLong 性能更好（减少乐观锁的重试次数）

AtomicLong做累加的时候实际上就是多个线程操作同⼀个⽬标资源，在⾼并发时，只有⼀个线程是执⾏成功的，其他的线程都会失败，不断⾃旋（重试），⾃旋会成为瓶颈

⽽LongAdder的思想就是把要操作的⽬标资源「分散」到数组Cell中，每个线程对⾃⼰的 Cell 变量的 value 进⾏原⼦操作，⼤⼤降低了失败的次数，这就是为什么在⾼并发场景下，推荐使⽤LongAdder 的原因