Java Synchronized 锁的实现原理与应用 (偏向锁,轻量锁,重量锁)

1. 简介

   在Java SE 1.6之前,Synchronized被称为重量级锁.在SE 1.6之后进行了各种优化,就出现了偏向锁,轻量锁,目的是为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗.

2. Synchroized的使用(三种形式)
   (1) 对于普通同步方法,锁是当前实例对象.如下代码示例:
   解释:对于set和get方法来说,都是在方法上使用了同步关键字,所以他们是同步方法,锁的就是当前的实例对象,怎么理解了,看下面的main方法,就是这个new的实例对象.所以他们的锁对象都是synchronizedMethod 这个实例.

   private int i = 0;
   
   public synchronized void setNum (int number) {
       this.i = number;
   }
   
   public synchronized int getNum () {
       return i;
   }
   
   public static void main (String[] args) {
       // 启动两个线程调用get和set方法
       SynchronizedMethod synchronizedMethod = new SynchronizedMethod();
       new Thread(() -> {
           synchronizedMethod.setNum(5);
       },"set").start();
       new Thread(() -> {
           int num = synchronizedMethod.getNum();
           System.out.println(num);
       },"get").start();
   }

   (2) 对于静态同步方法,锁是当前类的Class对象.看代码示例:
   解释:如下两个方法都是静态同步方法.所以锁是当前类的class对象,这么理解吧,静态方法是类调用的,所以锁就是这个类对象.如下代码运行结果,只有当类的第一个静态同步方法执行完毕,第二个才能执行.

   /**
   * synchronized 静态方法
   */
   public class SynchroizedStaticMethod {
   
   private static int i = 0;
   
   public static synchronized void addNum () {
       for (;;) {
           i++;
           System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"----"+i);
           if(i >= 100){
               break;
           }
       }
   }
   
   public static synchronized void getNum () {
       System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"----"+i);
   }
   
   public static void main (String[] args) {
       new Thread(() -> {
           SynchroizedStaticMethod.addNum();
       },"addNum").start();
       new Thread(() -> {
           SynchroizedStaticMethod.getNum();
       },"getNum").start();
   
   }
   }

   一部分执行结果
   addNum----92
   addNum----93
   addNum----94
   addNum----95
   addNum----96
   addNum----97
   addNum----98
   addNum----99
   addNum----100
   getNum----100

Process finished with exit code 0
(3) 对于同步代码块,锁就是Synchronized括号里面配置的对象.如下代码实例:
解释:通过如下代码可以证明锁就是括号里面的对象,当两个方法是一个对象时,只能是获取到对象锁的方法 执行,但是是两个锁对象时,那么两个方法获取的就是不同的锁对象,所以结果不一样了.

/**
 * 代码块
 */
public class SynchroizedCodeBlock {

    private Object object = new Object();

    public void printOne () {
        synchronized (object) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---" + 1);
            }
        }
    }

    public void printTwo () {
        synchronized (object) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"---"+2);
        }
    }

    public static void main (String[] args) {
        SynchroizedCodeBlock codeBlock = new SynchroizedCodeBlock();
        new Thread(() -> {
            codeBlock.printOne();
        },"printOne").start();
        new Thread(() -> {
            codeBlock.printTwo();
        },"printTwo").start();
    }
}

执行结果
printOne---1
printOne---1
printOne---1
printOne---1
printOne---1
printOne---1
printOne---1
printOne---1
printOne---1
printOne---1
printTwo---2

Process finished with exit code 0
改变下括号里面的对象

public void printTwo () {
        synchronized (this) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"---"+2);
        }
    }

执行结果(与第一次不一样了)
printTwo---2
printOne---1
printOne---1
printOne---1
printOne---1
printOne---1
printOne---1
printOne---1
printOne---1
printOne---1
printOne---1

Process finished with exit code 0
3.锁在什么地方(Java 对象头)

Synchronized用的锁是存在Java的对象头里的.如果对象时数组类型,则虚拟机用3个字宽存储对象头..Java对象头里的Mark Word里默认储存对象的HashCode.分代年龄和锁标记位

Mark Word 的状态变化表

4.JSE1.6对锁的优化(锁的升级与对比)

在Java SE1.6中,锁一共有4中状态,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。

（1）偏向锁
why：在大多数情况下,锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一个线程多次获得,为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁.
what：当一个线程访问同步块并获取锁时,会在对象头和栈帧中的锁记录里储存偏向的线程ID,以后该线程在进入和退出同步代码块时不需要进行cas操作来加锁和解锁,只需要简单地测试一下对象头的Mark Word里是否储存着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示该线程获得了锁。如果测试失败，则需要在测试一下Mark Word中偏向锁的表示是否设置成1(表示当前是偏向锁)：如果没有设置,则使用cas竞争锁;如果设置了,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，所以当其它线程尝试竞争偏向锁时，持有线程才会释放锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全节点（在这个时间点上没有正在执行的字节码）。
偏向锁的升级：如果有线程来竞争偏向锁，那么就需要判断对象头的Mark Word的线程ID和当前线程ID是否一致,如果不一致说明发送了竞争,那么就需要检查拥有偏向锁的线程是否还存活；如果没有存活,那么将对象头设置为无锁状态,当前线程和其它线程都可以去竞争偏向锁；如果存活，暂停拥有偏向锁的线程，遍历栈帧信息，判断这个线程是否还要使用这个锁对象，如果还需要，就撤销偏向锁，升级为轻量锁，如果不要继续使用，标记为无锁状态，重新偏向其它线程。如果升级为轻量锁后，应该还是拥有锁的线程先去执行。
（2） 轻量锁
why：轻量锁是为线程竞争不是很多，每个线程的执行时间不长而准备的，因为轻量锁发生竞争时，不阻塞线程，而是采用的自旋；如果竞争时就阻塞线程，而锁很快就释放了，这个线程的状态切换也是很大的消耗。
waht：线程在执行同步代码块前，jvm会先在当前线程的栈帧中创建一个用于存储锁记录的空间,并将对象头中的Mark Word替换为为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获取锁，如果失败，表示其它线程竞争锁，当前线程尝试使用自旋来获取锁。其实就在当前线程里面存了一份拷贝的对象头的Mark Word(官方叫displaced Mark Word),然后把对象头里面Mark Word指针指向了当前线程在一开始创建的一块锁记录空间，displaced Mark Word 是在释放锁时恢复无锁用的。这一块其实有些绕，就是怎么判断锁这一块具体参考这篇文档
轻量锁的解锁：轻量级解锁时，会使用cas操作将disolaced 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，锁就会膨胀成重量级锁。过程如下图所示：

（3） 锁的优缺点对比

5.总结（有些个人理解）

偏向锁在Java 6 和 Java 7是默认开启的,但是它在应用程序几秒钟之后才激活,如果有必要可以使用jvm的参数来关闭延迟：-XX：BiasedLockingStartupDelay=0。偏向锁是在单线程的时候使用的，我们知道单线程其实可以不用使用同步，我的理解就是为了预防线程安全问题，因为可能会出现多线程的情况，所以我们要预防以免带来线程安全的问题；从上面表格可以看出加上偏向锁性能在纳秒级别，完全可以接受；偏向锁设置是把Mark Word的是否为偏向锁的标识使用cas设置为1，然后使用设置偏向锁的里面的线程ID，设置成功，获取锁，也不用释放锁，下次这个线程再来获取锁，只需要判断偏向锁里面有没有自己的线程ID即可；但是如果有线程在Mark Word的是否为偏向锁的标识为1时，有线程来竞争锁，那么cas设置对象头的偏向锁指向自己线程ID时就会失败，因为有线程已经指向了，那么这个时候就不满足偏向锁了，这时就需要执行锁撤销的步骤，首先等待全局安全点，然后暂停拥有偏向锁的线程，判断当前拥有锁的线程是否还是存活状态，如果没有存活，将对象头设置无锁状态；如果还存活，判断线程是否还需要执行代码块，从栈帧中找到锁记录，如果当前线程还需要执行同步代码块，就证明需要锁，这个时候升级为轻量锁，然后唤醒暂停线程，竞争线程开始自旋；如果不需要执行同步代码块了，要么恢复到无锁或者标记对象不适合偏向锁（出现竞争了）。轻量锁，说下锁升级，轻量锁在释放锁时，会使用原子的cas把原来线程里面的displaced Mark Word替换为对象头,但是如果替换失败,表示锁竞争,锁就升级为重量级锁,这个过程为什么会失败了,是因为轻量锁的自旋是有次数的,如果达到一定的次数还没有成功,这个自旋的线程就会升级为重量锁,那么此时的对象头的Mark Word就会被改变,然后暂停该线程,当前面的轻量锁在释放锁时,会发现对象头的Mark Word被修改,然后升级为重量锁,唤醒之前暂停的线程.

选自《Java 并发编程的艺术》
和参考两位大佬的博客
锁的升级
Synchronized 整个锁的流程图(厉害)