理解鎖的基礎(chǔ)知識(shí)

如果想要透徹的理解java鎖的來(lái)龍去脈，需要先了解以下基礎(chǔ)知識(shí)。

基礎(chǔ)知識(shí)之一：鎖的類型

公平鎖/非公平鎖

公平鎖是指多個(gè)線程按照申請(qǐng)鎖的順序來(lái)獲取鎖。
非公平鎖是指多個(gè)線程獲取鎖的順序并不是按照申請(qǐng)鎖的順序，有可能后申請(qǐng)的線程比先申請(qǐng)的線程優(yōu)先獲取鎖。有可能，會(huì)造成優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)或者饑餓現(xiàn)象。
對(duì)于Java ReentrantLock而言，通過(guò)構(gòu)造函數(shù)指定該鎖是否是公平鎖，默認(rèn)是非公平鎖。非公平鎖的優(yōu)點(diǎn)在于吞吐量比公平鎖大。
對(duì)于Synchronized而言，也是一種非公平鎖。由于其并不像ReentrantLock是通過(guò)AQS的來(lái)實(shí)現(xiàn)線程調(diào)度，所以并沒(méi)有任何辦法使其變成公平鎖。

可重入鎖

可重入鎖又名遞歸鎖，是指在同一個(gè)線程在外層方法獲取鎖的時(shí)候，在進(jìn)入內(nèi)層方法會(huì)自動(dòng)獲取鎖。說(shuō)的有點(diǎn)抽象，下面會(huì)有一個(gè)代碼的示例。
對(duì)于Java ReentrantLock而言, 他的名字就可以看出是一個(gè)可重入鎖，其名字是Re entrant Lock重新進(jìn)入鎖。
對(duì)于Synchronized而言,也是一個(gè)可重入鎖?？芍厝腈i的一個(gè)好處是可一定程度避免死鎖。

synchronized void setA() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
    setB();
}

synchronized void setB() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
}

上面的代碼就是一個(gè)可重入鎖的一個(gè)特點(diǎn)，如果不是可重入鎖的話，setB可能不會(huì)被當(dāng)前線程執(zhí)行，可能造成死鎖。

獨(dú)享鎖/共享鎖

獨(dú)享鎖是指該鎖一次只能被一個(gè)線程所持有。
共享鎖是指該鎖可被多個(gè)線程所持有。

對(duì)于Java ReentrantLock而言，其是獨(dú)享鎖。但是對(duì)于Lock的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)類ReadWriteLock，其讀鎖是共享鎖，其寫鎖是獨(dú)享鎖。
讀鎖的共享鎖可保證并發(fā)讀是非常高效的，讀寫，寫讀 ，寫寫的過(guò)程是互斥的。
獨(dú)享鎖與共享鎖也是通過(guò)AQS來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)實(shí)現(xiàn)不同的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)享或者共享。
對(duì)于Synchronized而言，當(dāng)然是獨(dú)享鎖。

互斥鎖/讀寫鎖

上面講的獨(dú)享鎖/共享鎖就是一種廣義的說(shuō)法，互斥鎖/讀寫鎖就是具體的實(shí)現(xiàn)。
互斥鎖在Java中的具體實(shí)現(xiàn)就是ReentrantLock
讀寫鎖在Java中的具體實(shí)現(xiàn)就是ReadWriteLock

樂(lè)觀鎖/悲觀鎖

樂(lè)觀鎖

樂(lè)觀鎖是一種樂(lè)觀思想，即認(rèn)為讀多寫少，遇到并發(fā)寫的可能性低，每次去拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都認(rèn)為別人不會(huì)修改，所以不會(huì)上鎖，但是在更新的時(shí)候會(huì)判斷一下在此期間別人有沒(méi)有去更新這個(gè)數(shù)據(jù)，采取在寫時(shí)先讀出當(dāng)前版本號(hào)，然后加鎖操作（比較跟上一次的版本號(hào)，如果一樣則更新），如果失敗則要重復(fù)讀-比較-寫的操作。

java中的樂(lè)觀鎖基本都是通過(guò)CAS操作實(shí)現(xiàn)的，CAS是一種更新的原子操作，比較當(dāng)前值跟傳入值是否一樣，一樣則更新，否則失敗。

悲觀鎖

悲觀鎖是就是悲觀思想，即認(rèn)為寫多，遇到并發(fā)寫的可能性高，每次去拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都認(rèn)為別人會(huì)修改，所以每次在讀寫數(shù)據(jù)的時(shí)候都會(huì)上鎖，這樣別人想讀寫這個(gè)數(shù)據(jù)就會(huì)block直到拿到鎖。java中的悲觀鎖就是Synchronized,AQS框架下的鎖則是先嘗試cas樂(lè)觀鎖去獲取鎖，獲取不到，才會(huì)轉(zhuǎn)換為悲觀鎖，如RetreenLock。

分段鎖

分段鎖其實(shí)是一種鎖的設(shè)計(jì)，并不是具體的一種鎖，對(duì)于ConcurrentHashMap而言，其并發(fā)的實(shí)現(xiàn)就是通過(guò)分段鎖的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的并發(fā)操作。
我們以ConcurrentHashMap來(lái)說(shuō)一下分段鎖的含義以及設(shè)計(jì)思想，ConcurrentHashMap中的分段鎖稱為Segment，它即類似于HashMap（JDK7與JDK8中HashMap的實(shí)現(xiàn)）的結(jié)構(gòu)，即內(nèi)部擁有一個(gè)Entry數(shù)組，數(shù)組中的每個(gè)元素又是一個(gè)鏈表；同時(shí)又是一個(gè)ReentrantLock（Segment繼承了ReentrantLock)。
當(dāng)需要put元素的時(shí)候，并不是對(duì)整個(gè)hashmap進(jìn)行加鎖，而是先通過(guò)hashcode來(lái)知道他要放在那一個(gè)分段中，然后對(duì)這個(gè)分段進(jìn)行加鎖，所以當(dāng)多線程put的時(shí)候，只要不是放在一個(gè)分段中，就實(shí)現(xiàn)了真正的并行的插入。
但是，在統(tǒng)計(jì)size的時(shí)候，可就是獲取hashmap全局信息的時(shí)候，就需要獲取所有的分段鎖才能統(tǒng)計(jì)。
分段鎖的設(shè)計(jì)目的是細(xì)化鎖的粒度，當(dāng)操作不需要更新整個(gè)數(shù)組的時(shí)候，就僅僅針對(duì)數(shù)組中的一項(xiàng)進(jìn)行加鎖操作。

偏向鎖/輕量級(jí)鎖/重量級(jí)鎖

這三種鎖是指鎖的狀態(tài)，并且是針對(duì)Synchronized。在Java 5通過(guò)引入鎖升級(jí)的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)高效Synchronized。這三種鎖的狀態(tài)是通過(guò)對(duì)象監(jiān)視器在對(duì)象頭中的字段來(lái)表明的。
偏向鎖是指一段同步代碼一直被一個(gè)線程所訪問(wèn)，那么該線程會(huì)自動(dòng)獲取鎖。降低獲取鎖的代價(jià)。
輕量級(jí)鎖是指當(dāng)鎖是偏向鎖的時(shí)候，被另一個(gè)線程所訪問(wèn)，偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖，其他線程會(huì)通過(guò)自旋的形式嘗試獲取鎖，不會(huì)阻塞，提高性能。
重量級(jí)鎖是指當(dāng)鎖為輕量級(jí)鎖的時(shí)候，另一個(gè)線程雖然是自旋，但自旋不會(huì)一直持續(xù)下去，當(dāng)自旋一定次數(shù)的時(shí)候，還沒(méi)有獲取到鎖，就會(huì)進(jìn)入阻塞，該鎖膨脹為重量級(jí)鎖。重量級(jí)鎖會(huì)讓其他申請(qǐng)的線程進(jìn)入阻塞，性能降低。

自旋鎖

在Java中，自旋鎖是指嘗試獲取鎖的線程不會(huì)立即阻塞，而是采用循環(huán)的方式去嘗試獲取鎖，這樣的好處是減少線程上下文切換的消耗，缺點(diǎn)是循環(huán)會(huì)消耗CPU。
典型的自旋鎖實(shí)現(xiàn)的例子，可以參考自旋鎖的實(shí)現(xiàn)

基礎(chǔ)知識(shí)之二：java線程阻塞的代價(jià)

java的線程是映射到操作系統(tǒng)原生線程之上的，如果要阻塞或喚醒一個(gè)線程就需要操作系統(tǒng)介入，需要在戶態(tài)與核心態(tài)之間切換，這種切換會(huì)消耗大量的系統(tǒng)資源，因?yàn)橛脩魬B(tài)與內(nèi)核態(tài)都有各自專用的內(nèi)存空間，專用的寄存器等，用戶態(tài)切換至內(nèi)核態(tài)需要傳遞給許多變量、參數(shù)給內(nèi)核，內(nèi)核也需要保護(hù)好用戶態(tài)在切換時(shí)的一些寄存器值、變量等，以便內(nèi)核態(tài)調(diào)用結(jié)束后切換回用戶態(tài)繼續(xù)工作。

1. 如果線程狀態(tài)切換是一個(gè)高頻操作時(shí)，這將會(huì)消耗很多CPU處理時(shí)間；
2. 如果對(duì)于那些需要同步的簡(jiǎn)單的代碼塊，獲取鎖掛起操作消耗的時(shí)間比用戶代碼執(zhí)行的時(shí)間還要長(zhǎng)，這種同步策略顯然非常糟糕的。

synchronized會(huì)導(dǎo)致爭(zhēng)用不到鎖的線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，所以說(shuō)它是java語(yǔ)言中一個(gè)重量級(jí)的同步操縱，被稱為重量級(jí)鎖，為了緩解上述性能問(wèn)題，JVM從1.5開始，引入了輕量鎖與偏向鎖，默認(rèn)啟用了自旋鎖，他們都屬于樂(lè)觀鎖。

明確java線程切換的代價(jià)，是理解java中各種鎖的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)之一。

基礎(chǔ)知識(shí)之三：markword

在介紹java鎖之前，先說(shuō)下什么是markword，markword是java對(duì)象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的一部分，要詳細(xì)了解java對(duì)象的結(jié)構(gòu)可以(http://blog.csdn.net/zqz_zqz/article/details/70246212),這里只做markword的詳細(xì)介紹，因?yàn)閷?duì)象的markword和java各種類型的鎖密切相關(guān)；

markword數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度在32位和64位的虛擬機(jī)（未開啟壓縮指針）中分別為32bit和64bit，它的最后2bit是鎖狀態(tài)標(biāo)志位，用來(lái)標(biāo)記當(dāng)前對(duì)象的狀態(tài)，對(duì)象的所處的狀態(tài)，決定了markword存儲(chǔ)的內(nèi)容，如下表所示:

32位虛擬機(jī)在不同狀態(tài)下markword結(jié)構(gòu)如下圖所示：

image.png

了解了markword結(jié)構(gòu)，有助于后面了解java鎖的加鎖解鎖過(guò)程；

小結(jié)

前面提到了java的4種鎖，他們分別是重量級(jí)鎖、自旋鎖、輕量級(jí)鎖和偏向鎖，
不同的鎖有不同特點(diǎn)，每種鎖只有在其特定的場(chǎng)景下，才會(huì)有出色的表現(xiàn)，java中沒(méi)有哪種鎖能夠在所有情況下都能有出色的效率，引入這么多鎖的原因就是為了應(yīng)對(duì)不同的情況；

前面講到了重量級(jí)鎖是悲觀鎖的一種，自旋鎖、輕量級(jí)鎖與偏向鎖屬于樂(lè)觀鎖，所以現(xiàn)在你就能夠大致理解了他們的適用范圍，但是具體如何使用這幾種鎖呢，就要看后面的具體分析他們的特性；

java中的鎖

自旋鎖

自旋鎖原理非常簡(jiǎn)單，如果持有鎖的線程能在很短時(shí)間內(nèi)釋放鎖資源，那么那些等待競(jìng)爭(zhēng)鎖的線程就不需要做內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間的切換進(jìn)入阻塞掛起狀態(tài)，它們只需要等一等（自旋），等持有鎖的線程釋放鎖后即可立即獲取鎖，這樣就避免用戶線程和內(nèi)核的切換的消耗。

但是線程自旋是需要消耗cpu的，說(shuō)白了就是讓cpu在做無(wú)用功，如果一直獲取不到鎖，那線程也不能一直占用cpu自旋做無(wú)用功，所以需要設(shè)定一個(gè)自旋等待的最大時(shí)間。

如果持有鎖的線程執(zhí)行的時(shí)間超過(guò)自旋等待的最大時(shí)間扔沒(méi)有釋放鎖，就會(huì)導(dǎo)致其它爭(zhēng)用鎖的線程在最大等待時(shí)間內(nèi)還是獲取不到鎖，這時(shí)爭(zhēng)用線程會(huì)停止自旋進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

自旋鎖的優(yōu)缺點(diǎn)

自旋鎖盡可能的減少線程的阻塞，這對(duì)于鎖的競(jìng)爭(zhēng)不激烈，且占用鎖時(shí)間非常短的代碼塊來(lái)說(shuō)性能能大幅度的提升，因?yàn)樽孕南臅?huì)小于線程阻塞掛起再喚醒的操作的消耗，這些操作會(huì)導(dǎo)致線程發(fā)生兩次上下文切換！

但是如果鎖的競(jìng)爭(zhēng)激烈，或者持有鎖的線程需要長(zhǎng)時(shí)間占用鎖執(zhí)行同步塊，這時(shí)候就不適合使用自旋鎖了，因?yàn)樽孕i在獲取鎖前一直都是占用cpu做無(wú)用功，占著XX不XX，同時(shí)有大量線程在競(jìng)爭(zhēng)一個(gè)鎖，會(huì)導(dǎo)致獲取鎖的時(shí)間很長(zhǎng)，線程自旋的消耗大于線程阻塞掛起操作的消耗，其它需要cpu的線程又不能獲取到cpu，造成cpu的浪費(fèi)。所以這種情況下我們要關(guān)閉自旋鎖；

自旋鎖時(shí)間閾值

自旋鎖的目的是為了占著CPU的資源不釋放，等到獲取到鎖立即進(jìn)行處理。但是如何去選擇自旋的執(zhí)行時(shí)間呢？如果自旋執(zhí)行時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)有大量的線程處于自旋狀態(tài)占用CPU資源，進(jìn)而會(huì)影響整體系統(tǒng)的性能。因此自旋的周期選的額外重要！

JVM對(duì)于自旋周期的選擇，jdk1.5這個(gè)限度是一定的寫死的，在1.6引入了適應(yīng)性自旋鎖，適應(yīng)性自旋鎖意味著自旋的時(shí)間不在是固定的了，而是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間以及鎖的擁有者的狀態(tài)來(lái)決定，基本認(rèn)為一個(gè)線程上下文切換的時(shí)間是最佳的一個(gè)時(shí)間，同時(shí)JVM還針對(duì)當(dāng)前CPU的負(fù)荷情況做了較多的優(yōu)化

1. 如果平均負(fù)載小于CPUs則一直自旋

2. 如果有超過(guò)(CPUs/2)個(gè)線程正在自旋，則后來(lái)線程直接阻塞

3. 如果正在自旋的線程發(fā)現(xiàn)Owner發(fā)生了變化則延遲自旋時(shí)間（自旋計(jì)數(shù)）或進(jìn)入阻塞

4. 如果CPU處于節(jié)電模式則停止自旋

5. 自旋時(shí)間的最壞情況是CPU的存儲(chǔ)延遲（CPU A存儲(chǔ)了一個(gè)數(shù)據(jù)，到CPU B得知這個(gè)數(shù)據(jù)直接的時(shí)間差）

6. 自旋時(shí)會(huì)適當(dāng)放棄線程優(yōu)先級(jí)之間的差異

自旋鎖的開啟

JDK1.6中-XX:+UseSpinning開啟；
-XX:PreBlockSpin=10 為自旋次數(shù)；
JDK1.7后，去掉此參數(shù)，由jvm控制；

重量級(jí)鎖Synchronized

Synchronized的作用

在JDK1.5之前都是使用synchronized關(guān)鍵字保證同步的，Synchronized的作用相信大家都已經(jīng)非常熟悉了；

它可以把任意一個(gè)非NULL的對(duì)象當(dāng)作鎖。

1. 作用于方法時(shí)，鎖住的是對(duì)象的實(shí)例(this)；
2. 當(dāng)作用于靜態(tài)方法時(shí)，鎖住的是Class實(shí)例，又因?yàn)镃lass的相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在永久帶PermGen（jdk1.8則是metaspace），永久帶是全局共享的，因此靜態(tài)方法鎖相當(dāng)于類的一個(gè)全局鎖，會(huì)鎖所有調(diào)用該方法的線程；
3. synchronized作用于一個(gè)對(duì)象實(shí)例時(shí)，鎖住的是所有以該對(duì)象為鎖的代碼塊。

Synchronized的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)如下圖所示；

image.png

它有多個(gè)隊(duì)列，當(dāng)多個(gè)線程一起訪問(wèn)某個(gè)對(duì)象監(jiān)視器的時(shí)候，對(duì)象監(jiān)視器會(huì)將這些線程存儲(chǔ)在不同的容器中。

1. Contention List：競(jìng)爭(zhēng)隊(duì)列，所有請(qǐng)求鎖的線程首先被放在這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)隊(duì)列中；

2. Entry List：Contention List中那些有資格成為候選資源的線程被移動(dòng)到Entry List中；

3. Wait Set：哪些調(diào)用wait方法被阻塞的線程被放置在這里；

4. OnDeck：任意時(shí)刻，最多只有一個(gè)線程正在競(jìng)爭(zhēng)鎖資源，該線程被成為OnDeck；

5. Owner：當(dāng)前已經(jīng)獲取到所資源的線程被稱為Owner；

6. !Owner：當(dāng)前釋放鎖的線程。

JVM每次從隊(duì)列的尾部取出一個(gè)數(shù)據(jù)用于鎖競(jìng)爭(zhēng)候選者（OnDeck），但是并發(fā)情況下，ContentionList會(huì)被大量的并發(fā)線程進(jìn)行CAS訪問(wèn)，為了降低對(duì)尾部元素的競(jìng)爭(zhēng)，JVM會(huì)將一部分線程移動(dòng)到EntryList中作為候選競(jìng)爭(zhēng)線程。Owner線程會(huì)在unlock時(shí)，將ContentionList中的部分線程遷移到EntryList中，并指定EntryList中的某個(gè)線程為OnDeck線程（一般是最先進(jìn)去的那個(gè)線程）。Owner線程并不直接把鎖傳遞給OnDeck線程，而是把鎖競(jìng)爭(zhēng)的權(quán)利交給OnDeck，OnDeck需要重新競(jìng)爭(zhēng)鎖。這樣雖然犧牲了一些公平性，但是能極大的提升系統(tǒng)的吞吐量，在JVM中，也把這種選擇行為稱之為“競(jìng)爭(zhēng)切換”。

OnDeck線程獲取到鎖資源后會(huì)變?yōu)镺wner線程，而沒(méi)有得到鎖資源的仍然停留在EntryList中。如果Owner線程被wait方法阻塞，則轉(zhuǎn)移到WaitSet隊(duì)列中，直到某個(gè)時(shí)刻通過(guò)notify或者notifyAll喚醒，會(huì)重新進(jìn)去EntryList中。

處于ContentionList、EntryList、WaitSet中的線程都處于阻塞狀態(tài)，該阻塞是由操作系統(tǒng)來(lái)完成的（Linux內(nèi)核下采用pthread_mutex_lock內(nèi)核函數(shù)實(shí)現(xiàn)的）。

Synchronized是非公平鎖。 Synchronized在線程進(jìn)入ContentionList時(shí)，等待的線程會(huì)先嘗試自旋獲取鎖，如果獲取不到就進(jìn)入ContentionList，這明顯對(duì)于已經(jīng)進(jìn)入隊(duì)列的線程是不公平的，還有一個(gè)不公平的事情就是自旋獲取鎖的線程還可能直接搶占OnDeck線程的鎖資源。

偏向鎖

Java偏向鎖(Biased Locking)是Java6引入的一項(xiàng)多線程優(yōu)化。
偏向鎖，顧名思義，它會(huì)偏向于第一個(gè)訪問(wèn)鎖的線程，如果在運(yùn)行過(guò)程中，同步鎖只有一個(gè)線程訪問(wèn)，不存在多線程爭(zhēng)用的情況，則線程是不需要觸發(fā)同步的，這種情況下，就會(huì)給線程加一個(gè)偏向鎖。
如果在運(yùn)行過(guò)程中，遇到了其他線程搶占鎖，則持有偏向鎖的線程會(huì)被掛起，JVM會(huì)消除它身上的偏向鎖，將鎖恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)的輕量級(jí)鎖。

它通過(guò)消除資源無(wú)競(jìng)爭(zhēng)情況下的同步原語(yǔ)，進(jìn)一步提高了程序的運(yùn)行性能。

偏向鎖的實(shí)現(xiàn)

偏向鎖獲取過(guò)程：

1. 訪問(wèn)Mark Word中偏向鎖的標(biāo)識(shí)是否設(shè)置成1，鎖標(biāo)志位是否為01，確認(rèn)為可偏向狀態(tài)。

2. 如果為可偏向狀態(tài)，則測(cè)試線程ID是否指向當(dāng)前線程，如果是，進(jìn)入步驟5，否則進(jìn)入步驟3。

3. 如果線程ID并未指向當(dāng)前線程，則通過(guò)CAS操作競(jìng)爭(zhēng)鎖。如果競(jìng)爭(zhēng)成功，則將Mark Word中線程ID設(shè)置為當(dāng)前線程ID，然后執(zhí)行5；如果競(jìng)爭(zhēng)失敗，執(zhí)行4。

4. 如果CAS獲取偏向鎖失敗，則表示有競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)全局安全點(diǎn)（safepoint）時(shí)獲得偏向鎖的線程被掛起，偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖，然后被阻塞在安全點(diǎn)的線程繼續(xù)往下執(zhí)行同步代碼。（撤銷偏向鎖的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致stop the word）

5. 執(zhí)行同步代碼。

注意：第四步中到達(dá)安全點(diǎn)safepoint會(huì)導(dǎo)致stop the word，時(shí)間很短。

偏向鎖的釋放：

偏向鎖的撤銷在上述第四步驟中有提到。偏向鎖只有遇到其他線程嘗試競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖時(shí)，持有偏向鎖的線程才會(huì)釋放鎖，線程不會(huì)主動(dòng)去釋放偏向鎖。偏向鎖的撤銷，需要等待全局安全點(diǎn)（在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上沒(méi)有字節(jié)碼正在執(zhí)行），它會(huì)首先暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對(duì)象是否處于被鎖定狀態(tài)，撤銷偏向鎖后恢復(fù)到未鎖定（標(biāo)志位為“01”）或輕量級(jí)鎖（標(biāo)志位為“00”）的狀態(tài)。

偏向鎖的適用場(chǎng)景

始終只有一個(gè)線程在執(zhí)行同步塊，在它沒(méi)有執(zhí)行完釋放鎖之前，沒(méi)有其它線程去執(zhí)行同步塊，在鎖無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的情況下使用，一旦有了競(jìng)爭(zhēng)就升級(jí)為輕量級(jí)鎖，升級(jí)為輕量級(jí)鎖的時(shí)候需要撤銷偏向鎖，撤銷偏向鎖的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致stop the word操作；
在有鎖的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，偏向鎖會(huì)多做很多額外操作，尤其是撤銷偏向所的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入安全點(diǎn)，安全點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致stw，導(dǎo)致性能下降，這種情況下應(yīng)當(dāng)禁用；

查看停頓–安全點(diǎn)停頓日志

要查看安全點(diǎn)停頓，可以打開安全點(diǎn)日志，通過(guò)設(shè)置JVM參數(shù) -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime 會(huì)打出系統(tǒng)停止的時(shí)間，添加-XX:+PrintSafepointStatistics -XX:PrintSafepointStatisticsCount=1 這兩個(gè)參數(shù)會(huì)打印出詳細(xì)信息，可以查看到使用偏向鎖導(dǎo)致的停頓，時(shí)間非常短暫，但是爭(zhēng)用嚴(yán)重的情況下，停頓次數(shù)也會(huì)非常多；

注意：安全點(diǎn)日志不能一直打開：
1. 安全點(diǎn)日志默認(rèn)輸出到stdout，一是stdout日志的整潔性，二是stdout所重定向的文件如果不在/dev/shm，可能被鎖。
2. 對(duì)于一些很短的停頓，比如取消偏向鎖，打印的消耗比停頓本身還大。
3. 安全點(diǎn)日志是在安全點(diǎn)內(nèi)打印的，本身加大了安全點(diǎn)的停頓時(shí)間。

所以安全日志應(yīng)該只在問(wèn)題排查時(shí)打開。
如果在生產(chǎn)系統(tǒng)上要打開，再再增加下面四個(gè)參數(shù)：
-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX: -DisplayVMOutput -XX:+LogVMOutput -XX:LogFile=/dev/shm/vm.log
打開Diagnostic（只是開放了更多的flag可選，不會(huì)主動(dòng)激活某個(gè)flag），關(guān)掉輸出VM日志到stdout，輸出到獨(dú)立文件,/dev/shm目錄（內(nèi)存文件系統(tǒng)）。

image.png

此日志分三部分：
第一部分是時(shí)間戳，VM Operation的類型
第二部分是線程概況，被中括號(hào)括起來(lái)
total: 安全點(diǎn)里的總線程數(shù)
initially_running: 安全點(diǎn)開始時(shí)正在運(yùn)行狀態(tài)的線程數(shù)
wait_to_block: 在VM Operation開始前需要等待其暫停的線程數(shù)

第三部分是到達(dá)安全點(diǎn)時(shí)的各個(gè)階段以及執(zhí)行操作所花的時(shí)間，其中最重要的是vmop

• spin: 等待線程響應(yīng)safepoint號(hào)召的時(shí)間；
• block: 暫停所有線程所用的時(shí)間；
• sync: 等于 spin+block，這是從開始到進(jìn)入安全點(diǎn)所耗的時(shí)間，可用于判斷進(jìn)入安全點(diǎn)耗時(shí)；
• cleanup: 清理所用時(shí)間；
• vmop: 真正執(zhí)行VM Operation的時(shí)間。

可見(jiàn)，那些很多但又很短的安全點(diǎn)，全都是RevokeBias， 高并發(fā)的應(yīng)用會(huì)禁用掉偏向鎖。

jvm開啟/關(guān)閉偏向鎖

• 開啟偏向鎖：-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
• 關(guān)閉偏向鎖：-XX:-UseBiasedLocking

輕量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖是由偏向所升級(jí)來(lái)的，偏向鎖運(yùn)行在一個(gè)線程進(jìn)入同步塊的情況下，當(dāng)?shù)诙€(gè)線程加入鎖爭(zhēng)用的時(shí)候，偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖；
輕量級(jí)鎖的加鎖過(guò)程：

1. 在代碼進(jìn)入同步塊的時(shí)候，如果同步對(duì)象鎖狀態(tài)為無(wú)鎖狀態(tài)（鎖標(biāo)志位為“01”狀態(tài)，是否為偏向鎖為“0”），虛擬機(jī)首先將在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個(gè)名為鎖記錄（Lock Record）的空間，用于存儲(chǔ)鎖對(duì)象目前的Mark Word的拷貝，官方稱之為 Displaced Mark Word。這時(shí)候線程堆棧與對(duì)象頭的狀態(tài)如圖：
   

   　
   image.png

所示。

2. 拷貝對(duì)象頭中的Mark Word復(fù)制到鎖記錄中；

3. 拷貝成功后，虛擬機(jī)將使用CAS操作嘗試將對(duì)象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針，并將Lock record里的owner指針指向object mark word。如果更新成功，則執(zhí)行步驟4，否則執(zhí)行步驟5。

4. 如果這個(gè)更新動(dòng)作成功了，那么這個(gè)線程就擁有了該對(duì)象的鎖，并且對(duì)象Mark Word的鎖標(biāo)志位設(shè)置為“00”，即表示此對(duì)象處于輕量級(jí)鎖定狀態(tài)，這時(shí)候線程堆棧與對(duì)象頭的狀態(tài)如圖所示。
   

   　
   image.png

5. 如果這個(gè)更新操作失敗了，虛擬機(jī)首先會(huì)檢查對(duì)象的Mark Word是否指向當(dāng)前線程的棧幀，如果是就說(shuō)明當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了這個(gè)對(duì)象的鎖，那就可以直接進(jìn)入同步塊繼續(xù)執(zhí)行。否則說(shuō)明多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)鎖，輕量級(jí)鎖就要膨脹為重量級(jí)鎖，鎖標(biāo)志的狀態(tài)值變?yōu)椤?0”，Mark Word中存儲(chǔ)的就是指向重量級(jí)鎖（互斥量）的指針，后面等待鎖的線程也要進(jìn)入阻塞狀態(tài)。 而當(dāng)前線程便嘗試使用自旋來(lái)獲取鎖，自旋就是為了不讓線程阻塞，而采用循環(huán)去獲取鎖的過(guò)程。

輕量級(jí)鎖的釋放

釋放鎖線程視角：由輕量鎖切換到重量鎖，是發(fā)生在輕量鎖釋放鎖的期間，之前在獲取鎖的時(shí)候它拷貝了鎖對(duì)象頭的markword，在釋放鎖的時(shí)候如果它發(fā)現(xiàn)在它持有鎖的期間有其他線程來(lái)嘗試獲取鎖了，并且該線程對(duì)markword做了修改，兩者比對(duì)發(fā)現(xiàn)不一致，則切換到重量鎖。

因?yàn)橹亓考?jí)鎖被修改了，所有display mark word和原來(lái)的markword不一樣了。

怎么補(bǔ)救，就是進(jìn)入mutex前，compare一下obj的markword狀態(tài)。確認(rèn)該markword是否被其他線程持有。

此時(shí)如果線程已經(jīng)釋放了markword，那么通過(guò)CAS后就可以直接進(jìn)入線程，無(wú)需進(jìn)入mutex，就這個(gè)作用。

嘗試獲取鎖線程視角：如果線程嘗試獲取鎖的時(shí)候，輕量鎖正被其他線程占有，那么它就會(huì)修改markword，修改重量級(jí)鎖，表示該進(jìn)入重量鎖了。

還有一個(gè)注意點(diǎn)：等待輕量鎖的線程不會(huì)阻塞，它會(huì)一直自旋等待鎖，并如上所說(shuō)修改markword。

這就是自旋鎖，嘗試獲取鎖的線程，在沒(méi)有獲得鎖的時(shí)候，不被掛起，而轉(zhuǎn)而去執(zhí)行一個(gè)空循環(huán)，即自旋。在若干個(gè)自旋后，如果還沒(méi)有獲得鎖，則才被掛起，獲得鎖，則執(zhí)行代碼。

總結(jié)

image.png

synchronized的執(zhí)行過(guò)程：
1. 檢測(cè)Mark Word里面是不是當(dāng)前線程的ID，如果是，表示當(dāng)前線程處于偏向鎖
2. 如果不是，則使用CAS將當(dāng)前線程的ID替換Mard Word，如果成功則表示當(dāng)前線程獲得偏向鎖，置偏向標(biāo)志位1
3. 如果失敗，則說(shuō)明發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，撤銷偏向鎖，進(jìn)而升級(jí)為輕量級(jí)鎖。
4. 當(dāng)前線程使用CAS將對(duì)象頭的Mark Word替換為鎖記錄指針，如果成功，當(dāng)前線程獲得鎖
5. 如果失敗，表示其他線程競(jìng)爭(zhēng)鎖，當(dāng)前線程便嘗試使用自旋來(lái)獲取鎖。
6. 如果自旋成功則依然處于輕量級(jí)狀態(tài)。
7. 如果自旋失敗，則升級(jí)為重量級(jí)鎖。

上面幾種鎖都是JVM自己內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，當(dāng)我們執(zhí)行synchronized同步塊的時(shí)候jvm會(huì)根據(jù)啟用的鎖和當(dāng)前線程的爭(zhēng)用情況，決定如何執(zhí)行同步操作；

在所有的鎖都啟用的情況下線程進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)會(huì)先去獲取偏向鎖，如果已經(jīng)存在偏向鎖了，則會(huì)嘗試獲取輕量級(jí)鎖，啟用自旋鎖，如果自旋也沒(méi)有獲取到鎖，則使用重量級(jí)鎖，沒(méi)有獲取到鎖的線程阻塞掛起，直到持有鎖的線程執(zhí)行完同步塊喚醒他們；

偏向鎖是在無(wú)鎖爭(zhēng)用的情況下使用的，也就是同步開在當(dāng)前線程沒(méi)有執(zhí)行完之前，沒(méi)有其它線程會(huì)執(zhí)行該同步塊，一旦有了第二個(gè)線程的爭(zhēng)用，偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖，如果輕量級(jí)鎖自旋到達(dá)閾值后，沒(méi)有獲取到鎖，就會(huì)升級(jí)為重量級(jí)鎖；

如果線程爭(zhēng)用激烈，那么應(yīng)該禁用偏向鎖。

鎖優(yōu)化

以上介紹的鎖不是我們代碼中能夠控制的，但是借鑒上面的思想，我們可以優(yōu)化我們自己線程的加鎖操作；

減少鎖的時(shí)間

不需要同步執(zhí)行的代碼，能不放在同步快里面執(zhí)行就不要放在同步快內(nèi)，可以讓鎖盡快釋放；

減少鎖的粒度

它的思想是將物理上的一個(gè)鎖，拆成邏輯上的多個(gè)鎖，增加并行度，從而降低鎖競(jìng)爭(zhēng)。它的思想也是用空間來(lái)?yè)Q時(shí)間；

java中很多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是采用這種方法提高并發(fā)操作的效率：

ConcurrentHashMap

java中的ConcurrentHashMap在jdk1.8之前的版本，使用一個(gè)Segment 數(shù)組

Segment< K,V >[] segments

• 1

Segment繼承自ReenTrantLock，所以每個(gè)Segment就是個(gè)可重入鎖，每個(gè)Segment 有一個(gè)HashEntry< K,V >數(shù)組用來(lái)存放數(shù)據(jù)，put操作時(shí)，先確定往哪個(gè)Segment放數(shù)據(jù)，只需要鎖定這個(gè)Segment，執(zhí)行put，其它的Segment不會(huì)被鎖定；所以數(shù)組中有多少個(gè)Segment就允許同一時(shí)刻多少個(gè)線程存放數(shù)據(jù)，這樣增加了并發(fā)能力。

LongAdder

LongAdder 實(shí)現(xiàn)思路也類似ConcurrentHashMap，LongAdder有一個(gè)根據(jù)當(dāng)前并發(fā)狀況動(dòng)態(tài)改變的Cell數(shù)組，Cell對(duì)象里面有一個(gè)long類型的value用來(lái)存儲(chǔ)值;
開始沒(méi)有并發(fā)爭(zhēng)用的時(shí)候或者是cells數(shù)組正在初始化的時(shí)候，會(huì)使用cas來(lái)將值累加到成員變量的base上，在并發(fā)爭(zhēng)用的情況下，LongAdder會(huì)初始化cells數(shù)組，在Cell數(shù)組中選定一個(gè)Cell加鎖，數(shù)組有多少個(gè)cell，就允許同時(shí)有多少線程進(jìn)行修改，最后將數(shù)組中每個(gè)Cell中的value相加，在加上base的值，就是最終的值；cell數(shù)組還能根據(jù)當(dāng)前線程爭(zhēng)用情況進(jìn)行擴(kuò)容，初始長(zhǎng)度為2，每次擴(kuò)容會(huì)增長(zhǎng)一倍，直到擴(kuò)容到大于等于cpu數(shù)量就不再擴(kuò)容，這也就是為什么LongAdder比cas和AtomicInteger效率要高的原因，后面兩者都是volatile+cas實(shí)現(xiàn)的，他們的競(jìng)爭(zhēng)維度是1，LongAdder的競(jìng)爭(zhēng)維度為“Cell個(gè)數(shù)+1”為什么要+1？因?yàn)樗€有一個(gè)base，如果競(jìng)爭(zhēng)不到鎖還會(huì)嘗試將數(shù)值加到base上；

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue也體現(xiàn)了這樣的思想，在隊(duì)列頭入隊(duì)，在隊(duì)列尾出隊(duì)，入隊(duì)和出隊(duì)使用不同的鎖，相對(duì)于LinkedBlockingArray只有一個(gè)鎖效率要高；

拆鎖的粒度不能無(wú)限拆，最多可以將一個(gè)鎖拆為當(dāng)前cpu數(shù)量個(gè)鎖即可；

鎖粗化

大部分情況下我們是要讓鎖的粒度最小化，鎖的粗化則是要增大鎖的粒度;
在以下場(chǎng)景下需要粗化鎖的粒度：
假如有一個(gè)循環(huán)，循環(huán)內(nèi)的操作需要加鎖，我們應(yīng)該把鎖放到循環(huán)外面，否則每次進(jìn)出循環(huán)，都進(jìn)出一次臨界區(qū)，效率是非常差的；

使用讀寫鎖

ReentrantReadWriteLock 是一個(gè)讀寫鎖，讀操作加讀鎖，可以并發(fā)讀，寫操作使用寫鎖，只能單線程寫；

讀寫分離

CopyOnWriteArrayList 、CopyOnWriteArraySet
CopyOnWrite容器即寫時(shí)復(fù)制的容器。通俗的理解是當(dāng)我們往一個(gè)容器添加元素的時(shí)候，不直接往當(dāng)前容器添加，而是先將當(dāng)前容器進(jìn)行Copy，復(fù)制出一個(gè)新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再將原容器的引用指向新的容器。這樣做的好處是我們可以對(duì)CopyOnWrite容器進(jìn)行并發(fā)的讀，而不需要加鎖，因?yàn)楫?dāng)前容器不會(huì)添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一種讀寫分離的思想，讀和寫不同的容器。
　CopyOnWrite并發(fā)容器用于讀多寫少的并發(fā)場(chǎng)景，因?yàn)?，讀的時(shí)候沒(méi)有鎖，但是對(duì)其進(jìn)行更改的時(shí)候是會(huì)加鎖的，否則會(huì)導(dǎo)致多個(gè)線程同時(shí)復(fù)制出多個(gè)副本，各自修改各自的；

使用cas

如果需要同步的操作執(zhí)行速度非?？?，并且線程競(jìng)爭(zhēng)并不激烈，這時(shí)候使用cas效率會(huì)更高，因?yàn)榧渔i會(huì)導(dǎo)致線程的上下文切換，如果上下文切換的耗時(shí)比同步操作本身更耗時(shí)，且線程對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)不激烈，使用volatiled+cas操作會(huì)是非常高效的選擇；

消除緩存行的偽共享

除了我們?cè)诖a中使用的同步鎖和jvm自己內(nèi)置的同步鎖外，還有一種隱藏的鎖就是緩存行，它也被稱為性能殺手。
在多核cpu的處理器中，每個(gè)cpu都有自己獨(dú)占的一級(jí)緩存、二級(jí)緩存，甚至還有一個(gè)共享的三級(jí)緩存，為了提高性能，cpu讀寫數(shù)據(jù)是以緩存行為最小單元讀寫的；32位的cpu緩存行為32字節(jié)，64位cpu的緩存行為64字節(jié)，這就導(dǎo)致了一些問(wèn)題。
例如，多個(gè)不需要同步的變量因?yàn)榇鎯?chǔ)在連續(xù)的32字節(jié)或64字節(jié)里面，當(dāng)需要其中的一個(gè)變量時(shí)，就將它們作為一個(gè)緩存行一起加載到某個(gè)cpu-1私有的緩存中（雖然只需要一個(gè)變量，但是cpu讀取會(huì)以緩存行為最小單位，將其相鄰的變量一起讀入），被讀入cpu緩存的變量相當(dāng)于是對(duì)主內(nèi)存變量的一個(gè)拷貝，也相當(dāng)于變相的將在同一個(gè)緩存行中的幾個(gè)變量加了一把鎖，這個(gè)緩存行中任何一個(gè)變量發(fā)生了變化，當(dāng)cpu-2需要讀取這個(gè)緩存行時(shí)，就需要先將cpu-1中被改變了的整個(gè)緩存行更新回主存（即使其它變量沒(méi)有更改），然后cpu-2才能夠讀取，而cpu-2可能需要更改這個(gè)緩存行的變量與cpu-1已經(jīng)更改的緩存行中的變量是不一樣的，所以這相當(dāng)于給幾個(gè)毫不相關(guān)的變量加了一把同步鎖；
為了防止偽共享，不同jdk版本實(shí)現(xiàn)方式是不一樣的：
1. 在jdk1.7之前會(huì) 將需要獨(dú)占緩存行的變量前后添加一組long類型的變量，依靠這些無(wú)意義的數(shù)組的填充做到一個(gè)變量自己獨(dú)占一個(gè)緩存行；
2. 在jdk1.7因?yàn)閖vm會(huì)將這些沒(méi)有用到的變量?jī)?yōu)化掉，所以采用繼承一個(gè)聲明了好多l(xiāng)ong變量的類的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)；
3. 在jdk1.8中通過(guò)添加sun.misc.Contended注解來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，若要使該注解有效必須在jvm中添加以下參數(shù)：
-XX:-RestrictContended

sun.misc.Contended注解會(huì)在變量前面添加128字節(jié)的padding將當(dāng)前變量與其他變量進(jìn)行隔離；