Java并发机制底层实现原理－synchronized

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• synchronized的实现原理与应用

synchronized 重量级锁

1.6版本之前 synchronized 被称之为 重量级锁
1.6版本对 synchronized 进行了优化，主要优化的点在于 减少 获得锁和释放锁带
来的性能消耗，为实现这个目的引入了偏向锁、与轻量级锁。 

synchronized 实现同步的基础

Java中每一个对象都可以作为锁。
普通同步方法，锁是当前实例对象。
静态同步方法块，锁是当前类的Class对象。
对于同步方法块，锁是synchronized括号里配置的对象。

synchronized 同步锁的获取 底层原理
如下图所示：

synchronized锁的存储位置

synchronized 用的锁是存在java对象头里的。
对象头中的Mark-word 默认存储对象的hashcode、分代年龄、和锁标志位。
Mark-word 中存储的数据会随着锁标志位的变化而变化
轻量级锁-00
重量级锁-10
GC标记-11
偏向锁-01

锁的升级与对比
Java SE 1.6 当中锁一共有4种状态，级别从低到高一次为:无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态。锁可以升级但不能降级，这种锁升级但不能降级的策略，目的是为了提高获得锁与释放锁的效率。

1.偏向锁原理

偏向锁的优点及初始化过程：

• 加锁解锁不需要额外的资源消耗，只需要对比当前线程id在对象头中是否存储指向当前线程的偏向锁。如果存在，表示当前线程已经获得锁。如果测试失败，则查询当前mark word中的偏向锁标志是否设置成为1，如果没有设置，则使用CAS竞争锁(非偏向锁状态)，如果设置了偏向锁标志，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，当其他线程尝试竞争偏向锁的时候，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，这个时间点上没有正在执行的字节码。它首先会暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程活着，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置为无锁状态。如果线程仍活着，拥有偏向锁的栈会被执行完。

2.轻量级锁原理

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存储锁记录的空间，并将对象头中的mark word 复制到锁记录当中，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锁来获取锁。

轻量级锁解锁

• 轻量级解锁时，会使用原子的CAS将锁记录(Displaced Mark Word)替换回到
  对象头，如果成功，则表示没有发生竞争。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀为重量级锁。

总结

锁	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁都不需要额外的消耗，和执行非同步的方法相比只存在纳秒级差距	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的场景
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了应用的相应速率	如果始终得不到竞争的线程，适用自旋会消耗cpu，造成cpu空转	追求响应时间，同步块执行速度非常快
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

不同锁的优缺点

锁	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁都不需要额外的消耗，和执行非同步的方法相比只存在纳秒级差距	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的场景
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了应用的相应速率	如果始终得不到竞争的线程，适用自旋会消耗cpu，造成cpu空转	追求响应时间，同步块执行速度非常快
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