一 、synchronized 實現(xiàn)原理與應用
1.1、synchronized作用
關鍵字synchronized的作用是實現(xiàn)線程間的同步。它的工作是對同步代碼塊區(qū)加鎖，在同一時刻，只有一個線程進入同步代碼塊區(qū)，從而保證線程間的安全；
1.2、synchronized用法
- 指定加鎖對象：對指定對象加鎖，進入臨界區(qū)前要獲得指定對象的鎖；
- 直接作用于實例方法：相當于對當前實例加鎖，進入臨界區(qū)前要獲得當前實例對象的鎖；
- 直接作用于靜態(tài)方法：相當于對當前類加鎖，進入臨界區(qū)前要獲得當前類的鎖；
1.3、synchronized實現(xiàn)原理
在多線程并發(fā)中synchronized關鍵字是元老級別的，很多人都稱呼它是重量級鎖。但是Java SE 1.6對synchronized進行了各種優(yōu)化，引入了偏向鎖和輕量級鎖為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗。
當一個線程試圖進入同步代碼塊前，必須獲得鎖，退出或拋出異常時必須釋放鎖。
從JVM規(guī)范可以看到synchronized的實現(xiàn)原理，JVM基于進入和退出Monitor對象來實現(xiàn)方法同步和代碼塊同步，但兩者實現(xiàn)的細節(jié)不一樣，代碼塊同步是使用monitorenter和monotorexit指令實現(xiàn)，而方法同步使用另一種實現(xiàn)，細節(jié)在JVM規(guī)范中沒有詳細說明。同步代碼塊開始位置在編譯后插入monitorenter指令，而同步代碼塊結束和異常的位置插入monitorexit指令。
1.3.1 java對象頭
那么鎖到底是存在哪里？鎖里會存儲怎么樣的信息？
synchronizeds用的鎖是存在java對象頭里的。如果對象是數(shù)組類型，則虛擬機用3個子寬(work)存儲對象頭，如果對象是非數(shù)組類型，則虛擬機用2個子寬(work)存儲對象頭。在32位虛擬機中，1字寬等于4字節(jié)，即32bit，如下表：
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java對象頭里的Mark word 里默認存儲對象的Hashcode、分代年齡和鎖標記位。32位JVM的Mark work的默認存儲結構如下表：
在運行期間，Mark work 里存儲的數(shù)據會隨著鎖標志位的變化而變化。Mark work 可能會存儲以下四種數(shù)據，如下表：
在64位虛擬機下，Mark work是64bit的大小，其存儲結構如下表：
1.3.2 鎖的升級與對比
java SE 1.6 為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，引入了"偏向鎖"和"輕量級鎖"，在java SE 1.6中，鎖一共有四種狀態(tài)，級別從低到高依次是：無鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級鎖狀態(tài)、重量級鎖狀態(tài)，這幾個狀態(tài)會隨著競爭情況逐漸升級，鎖可以升級當是不可以降級，意味著偏向鎖升級為輕量級鎖后不能降級為偏向鎖。這種鎖升級卻不能降級的策略，目的是為提高獲取鎖和釋放鎖的效率。
偏向鎖
HotSpot [1] 的作者經過研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一線程多次獲得，為了讓線程獲得鎖的代價更低而引入了偏向鎖。當一個線程訪問同步塊并獲取鎖時，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲鎖偏向的線程ID，以后該線程在進入和退出同步塊時不需要進行CAS操作來加鎖和解鎖，只需簡單地測試一下對象頭的Mark Word里是否存儲著指向當前線程的偏向鎖。如果測試成功，表示線程已經獲得了鎖。如果測試失敗，則需要再測試一下Mark Word中偏向鎖的標識是否設置成1（表示當前是偏向鎖）：如果沒有設置，則使用CAS競爭鎖；如果設置了，則嘗試使用CAS將對象頭的偏向鎖指向當前線程。
偏向鎖的撤銷
偏向鎖使用了一種等到競爭出現(xiàn)才釋放鎖的機制，所以當其他線程嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的線程才會釋放鎖。偏向鎖的撤銷，需要等待全局安全點（在這個時間點上沒有正在執(zhí)行的字節(jié)碼）。它會首先暫停擁有偏向鎖的線程，然后檢查持有偏向鎖的線程是否活著，如果線程不處于活動狀態(tài)，則將對象頭設置成無鎖狀態(tài)；如果線程仍然活著，擁有偏向鎖的棧會被執(zhí)行，遍歷偏向對象的鎖記錄，棧中的鎖記錄和對象頭的Mark Word要么重新偏向于其他線程，要么恢復到無鎖或者標記對象不適合作為偏向鎖，最后喚醒暫停的線程。圖2-1中的線程1演示了偏向鎖初始化的流程，線程2演示了偏向鎖撤銷的流程。
關閉偏向鎖
偏向鎖在Java 6和Java 7里是默認啟用的，但是它在應用程序啟動幾秒鐘之后才激活，如有必要可以使用JVM參數(shù)來關閉延遲：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。如果你確定應用程序里所有的鎖通常情況下處于競爭狀態(tài)，可以通過JVM參數(shù)關閉偏向鎖：-XX:-UseBiasedLocking=false，那么程序默認會進入輕量級鎖狀態(tài)。
輕量級鎖
輕量級鎖加鎖
線程在執(zhí)行同步塊之前，JVM會先在當前線程的棧楨中創(chuàng)建用于存儲鎖記錄的空間，并將對象頭中的Mark Word復制到鎖記錄中，官方稱為Displaced Mark Word。然后線程嘗試使用CAS將對象頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針。如果成功，當前線程獲得鎖，如果失敗，表示其他線程競爭鎖，當前線程便嘗試使用自旋來獲取鎖。
輕量級鎖解鎖
輕量級解鎖時，會使用原子的CAS操作將Displaced Mark Word替換回到對象頭，如果成功，則表示沒有競爭發(fā)生。如果失敗，表示當前鎖存在競爭，鎖就會膨脹成重量級鎖。圖2-2是兩個線程同時爭奪鎖，導致鎖膨脹的流程圖。
因為自旋會消耗CPU，為了避免無用的自旋（比如獲得鎖的線程被阻塞住了），一旦鎖升級成重量級鎖，就不會再恢復到輕量級鎖狀態(tài)。當鎖處于這個狀態(tài)下，其他線程試圖獲取鎖時，都會被阻塞住，當持有鎖的線程釋放鎖之后會喚醒這些線程，被喚醒的線程就會進行新一輪的奪鎖之爭。
鎖的優(yōu)缺點對比
本文參考書籍
《Java并發(fā)編程的藝術》
《實戰(zhàn)Java高并發(fā)程序設計》
