在java多線程并發(fā)編程中,Synchronized一直占有很重要的角色。Synchronized通過獲取鎖來實(shí)現(xiàn)同步。先來看一下,它的使用方法:

package com.Vinctor.Tst;

public class VinctorSyncDemo {

   public static synchronized void staticSyncMethod() {
       System.out.println("static synchronized");
   }

   public synchronized void normalSyncMethod() {
       System.out.println("normal  SyncMethod");
   }

   public void normalInnerMethod() {
       synchronized (this) {
           
       }
   }

   public void staticInnerMethod() {
       synchronized (VinctorSyncDemo.class) {

       }
   }
}

如上，分為三種方式:

• 如staticSyncMethod，修飾靜態(tài)方法，鎖是當(dāng)前類的類對象，位于方法區(qū)
• 如normalSyncMethod，修飾普通實(shí)例方法，鎖是當(dāng)前實(shí)例對象，位于堆
• 修飾代碼塊，如normalInnerMethod與staticInnerMethod，其中synchronized (this)與normalSyncMethod效果相同，synchronized (VinctorSyncDemo.class)與staticSyncMethod效果相同。

我們將上述代碼javap之后，看一下字節(jié)碼指令：

image.png

可以看到看到staticInnerMetho方法在執(zhí)行到synchronized代碼塊時(shí)，有兩個(gè)指令monitorenter和monitorexit，而下面異常表指向的位置10，也同樣執(zhí)行了monitorexit?？梢娡酱a塊的實(shí)現(xiàn)是使用monitorenter和monitorexit兩個(gè)代碼塊進(jìn)行獲取鎖已釋放鎖的，發(fā)生異常之后，也同樣會(huì)釋放鎖。JVM 必須保證monitorenter有monitorexit相對應(yīng)。當(dāng)監(jiān)視器一個(gè)線程被持有時(shí)，那么這個(gè)線程就持有了鎖，其他線程就不能獲取這個(gè)監(jiān)視器，直至monitorexit釋放鎖。同步方法同樣也可以用著兩個(gè)指令獲取和釋放鎖。

當(dāng)一個(gè)線程試圖訪問同步方法或者同步代碼塊時(shí)，首先需要獲取鎖，退出同步方法或者同步代碼塊時(shí)需要釋放鎖?？梢钥闯鲦i在Synchronized中起到至關(guān)重要的作用。鎖是什么呢？他是怎么存儲的呢？
通過以前的文章，我們了解到實(shí)例對象存儲在堆中，類對象存儲在方法中，一個(gè)對象區(qū)域包括：對象頭，對象數(shù)據(jù)，對其數(shù)據(jù)。此處對象頭中存儲著Synchronized的鎖。對象頭中有一個(gè)稱為Mark Word的區(qū)域，存儲著對象的 hashCode，分代年齡和鎖標(biāo)記位。如圖：

image.png

運(yùn)行期間，mark word 中存儲的數(shù)據(jù)鎖的標(biāo)記位的變化而變化，其可能變化情況如下：

image.png

可以看到，分為很多鎖：偏向鎖，輕量級鎖，重量級鎖。

鎖的分類

內(nèi)置鎖按照狀態(tài)分為：無鎖狀態(tài)，偏向鎖，輕量級鎖，重量級鎖。四中狀態(tài)隨著鎖的競爭加劇而升級，但是不是回退降級。（本文僅討論 HotSpot）

鎖的升級

虛擬機(jī)開發(fā)人員研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)情況下，多線程存在競爭的情況很少，為了避免同一線程多次進(jìn)行鎖的獲取，故引入了偏向鎖的概念。

當(dāng)一個(gè)線程A訪問同步代碼塊的時(shí)候，
首先檢查鎖標(biāo)志位：如果為01（無鎖或偏向鎖），再檢查是否為偏向鎖，

• 如果為0（不是偏向鎖），會(huì)通過 CAS 操作（下面將解釋）在對象頭中存儲當(dāng)前訪問的線程 A 的ID ；
• 如果為1（是偏向鎖），檢查一下對象頭中是否是當(dāng)前線程A 的 ID，如果是，則表示獲取到鎖，執(zhí)行代碼塊。接下文，
  接上文，如果不是當(dāng)前線程A 的 ID，則嘗試使用 CAS替換線程 ID，如果成功，則表示獲取鎖；如果失敗，則表示其他線程正在持有鎖，這時(shí)出現(xiàn)了競爭。我們假設(shè)當(dāng)前線程 B 持有該鎖。出現(xiàn)了競爭，我們這時(shí)需要撤銷線程 B 的偏向鎖（解鎖）。
  當(dāng)線程 B 運(yùn)行到安全點(diǎn)或者安全區(qū)域的時(shí)候，線程 B 暫停，這是檢查線程 B是否已經(jīng)退出了同步代碼塊，
• 如果線程 B已經(jīng)退出了同步代碼塊，則解鎖，將對象頭 的線程 ID 清空，是否偏向鎖標(biāo)記位0（設(shè)為無鎖狀態(tài)），線程 A 繼續(xù)通過 CAS 獲取鎖。
• 如果線程 B 沒有退出同步代碼塊，則表示線程 A 不能獲取鎖，這時(shí)鎖升級，升級為輕量級鎖。

鎖升級輕量級鎖之后，對象頭中不在存儲線程 ID 等信息，而是將這些信息拷貝至持有鎖的線程棧中鎖記錄中，再將對象頭指向該地址。上面的例子??中，

• 線程 B 持有鎖，在線程 B 的棧中分配鎖記錄，并將對象頭數(shù)據(jù)拷貝進(jìn)去，這時(shí)鎖的標(biāo)志位為00（輕量級鎖），并將對象頭指針指向該線程 B 的棧，線程 B 喚醒，并繼續(xù)執(zhí)行代碼；
• 此時(shí)線程 A 也是分配鎖記錄，并拷貝對象頭中 Mark Word，但是線程 A 還是不能獲取到鎖。
  這時(shí)線程 A還是進(jìn)行 CAS 操作，企圖將對象頭指向自己的鎖記錄，
• 如果替換成功，則表示線程 A 獲取到了鎖，執(zhí)行同步代碼塊；
• 如果還是不成功，這時(shí)線程 A 將執(zhí)行自旋CAS（自旋：顧名思義，自己轉(zhuǎn)著玩兒，也就是線程 A 不暫停等待，也不阻塞，而是執(zhí)行一些無用的代碼，此時(shí)空轉(zhuǎn)，也占用 CPU 時(shí)間，可以想象一個(gè)while 循環(huán)，目的就是稍等一下，看看持有鎖的線程是是否很快就釋放鎖），自旋的過程中嘗試 CAS 替換對象頭指針，當(dāng)自旋一定數(shù)目之后，線程 A 還是沒有獲取到鎖（夠悲催的），這時(shí)鎖升級，升級為重量級鎖，此時(shí)標(biāo)志位10。升級為重量級鎖之后，線程 A 這是不在爭搶資源，而是掛起當(dāng)前線程，等待其他線程釋放鎖之后將它喚醒。

擁有輕量級鎖的線程執(zhí)行完同步代碼塊后，需要解鎖輕量級鎖，這是還是需要使用 CAS 操作，將棧中鎖記錄替換會(huì)對象頭，如果成功，表示沒有競爭；如果失敗，表示存在競爭，其他線程嘗試獲取過鎖，那就需要在釋放鎖的過程中，喚醒被掛起的線程。

貼一張收藏的流程圖（出處不明，如侵權(quán)，請告知）：

點(diǎn)擊可放大，可查看原圖

一個(gè)??

以上就是鎖升級的過程，比較亂，舉個(gè)現(xiàn)實(shí)生活的栗子，上廁所。廁所幾位鎖（對象）。

為了方便對比，我們定一個(gè)規(guī)則，當(dāng)一個(gè)人上廁所時(shí)，需要將自己的牌子掛在廁所的門上，上完廁所，從廁所出來就不必摘下牌子，下次再上的時(shí)候就不需要掛了，只是看一下這個(gè)牌子是不是自己的就可以了。此為偏向鎖。

當(dāng)你再上廁所的過程中，小明過來了也想上廁所，就看到了牌子，不是自己的，想要把牌子換成自己的，但是這是你還在上廁所，沒辦法，小明只能在廁所門前晃來晃去，等著你上完廁所出來。如果你能在短時(shí)間里出來，那小明就進(jìn)去上廁所了。此時(shí)為輕量級鎖。

但是萬一你鬧肚子，小明也不可能一直在外面等著，這是他就選擇回座位等著，并告訴你一聲：“哥們，上完告訴我一聲！”，這時(shí)的小明不在主動(dòng)去想要獲取鎖，而是等著你上完廁所出來喊他，他才上廁所。這是即為重量級鎖。

CAS

CAS，Compare and Swap即比較并替換，設(shè)計(jì)并發(fā)算法時(shí)常用到的一種技術(shù)。java 中的原子類以及concurrent包大量使用了該技術(shù)進(jìn)行原子操作。

CAS有三個(gè)操作數(shù)：內(nèi)存值V、舊的預(yù)期值A(chǔ)、要修改的值B，當(dāng)且僅當(dāng)預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存值V相同時(shí)，將內(nèi)存值修改為B并返回true，否則什么都不做并返回false

JDK中有一個(gè)類Unsafe（sun.misc.Unsafe），它提供了硬件級別的原子操作。Unsafe類中的一個(gè)方法如下:

public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                              int expected,
                                              int x);

此為 native 方法，JVM 會(huì)將此方法映射為cmpxchgCPU 指令，該指令為原子操作，故多用于多線程環(huán)境中而不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。