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Java中的锁原理、锁优化、CAS、AQS详解！

作者：高广超

一、为什么要用锁？

锁-是为了解决并发操作引起的脏读、数据不一致的问题。

二、锁实现的基本原理

2.1、volatile

Java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。Java语言提供了 volatile ，在某些情况下比锁要更加方便。

volatile在多处理器开发中保证了共享变量的“ 可见性”。可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值。

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结论：如果volatile变量修饰符使用恰当的话，它比synchronized的使用和执行成本更低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度。

2.2、synchronized

synchronized通过锁机制实现同步。

先来看下利用synchronized实现同步的基础：Java中的每一个对象都可以作为锁。

具体表现为以下3种形式。

对于普通同步方法，锁是当前实例对象。
对于静态同步方法，锁是当前类的Class对象。
对于同步方法块，锁是Synchonized括号里配置的对象。

当一个线程试图访问同步代码块时，它首先必须得到锁，退出或抛出异常时必须释放锁。

2.2.1 synchronized实现原理

synchronized是基于Monitor来实现同步的。

Monitor从两个方面来支持线程之间的同步：

互斥执行
协作

1、Java 使用对象锁 ( 使用 synchronized 获得对象锁 ) 保证工作在共享的数据集上的线程互斥执行。面试常考：Synchronized 有几种用法？

2、使用 notify/notifyAll/wait 方法来协同不同线程之间的工作。

3、Class和Object都关联了一个Monitor。

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Monitor 的工作机理

线程进入同步方法中。
为了继续执行临界区代码，线程必须获取 Monitor 锁。如果获取锁成功，将成为该监视者对象的拥有者。任一时刻内，监视者对象只属于一个活动线程（The Owner）
拥有监视者对象的线程可以调用 wait() 进入等待集合（Wait Set），同时释放监视锁，进入等待状态。
其他线程调用 notify() / notifyAll() 接口唤醒等待集合中的线程，这些等待的线程需要重新获取监视锁后才能执行 wait() 之后的代码。
同步方法执行完毕了，线程退出临界区，并释放监视锁。

参考文档： https://www.ibm.com/developer...

2.2.2 synchronized具体实现

1、同步代码块采用monitorenter、monitorexit指令显式的实现。

2、同步方法则使用ACC_SYNCHRONIZED标记符隐式的实现。

通过实例来看看具体实现：

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javap编译后的字节码如下：

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monitorenter

每一个对象都有一个monitor，一个monitor只能被一个线程拥有。当一个线程执行到monitorenter指令时会尝试获取相应对象的monitor，获取规则如下：

如果monitor的进入数为0，则该线程可以进入monitor，并将monitor进入数设置为1，该线程即为monitor的拥有者。
如果当前线程已经拥有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1，所以synchronized关键字实现的锁是可重入的锁。
如果monitor已被其他线程拥有，则当前线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor。

monitorexit

只有拥有相应对象的monitor的线程才能执行monitorexit指令。每执行一次该指令monitor进入数减1，当进入数为0时当前线程释放monitor，此时其他阻塞的线程将可以尝试获取该monitor。

2.2.3 锁存放的位置

锁标记存放在Java对象头的Mark Word中。

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Java对象头长度

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32位JVM Mark Word 结构

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32位JVM Mark Word 状态变化

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64位JVM Mark Word 结构

2.2.3 synchronized的锁优化

JavaSE1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”。 Java 虚拟机对锁优化所做的努力。

在JavaSE1.6中，锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。

锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

偏向锁：

无锁竞争的情况下为了减少锁竞争的资源开销，引入偏向锁。

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轻量级锁：

轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的情况。

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锁粗化（Lock Coarsening）：也就是减少不必要的紧连在一起的unlock，lock操作，将多个连续的锁扩展成一个范围更大的锁。

锁消除（Lock Elimination）：锁削除是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行削除。

适应性自旋（Adaptive Spinning）：自适应意味着自旋的时间不再固定了，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间，比如100个循环。另一方面，如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后要获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源。