多线程进阶（六）----锁机制

多线程基础概念：多线程入门（一）
多线程基础实现：多线程入门（二）
多线程管理：多线程基础（三）
线程间的状态转换：多线程基础（四）
线程间的通信：多线程进阶（五）

这篇文章，我们先聊聊java多线程里的"锁"。

首先明确一点：Java多线程的锁都是基于对象的，Java中的每⼀个对象都可以作为⼀个锁

多线程进阶（六）锁机制

• 1、synchronized
• • 1.1 作用域
  • 1.2 几种锁
  • 1.3 偏向锁
  • • 1.3.1 原理
    • 1.3.2 升级过程
  • 1.4 轻量级锁
  • • 1.4.1 原理
  • 1.5 重量级锁
  • 1.6 各种锁对比
  • 1.7 总结锁的升级流程

1、synchronized

synchronized中文意思是同步，也称之为”同步锁“。作用是保证在同一时刻， 被修饰的代码块或方法只会有一个线程执行，以达到保证并发安全的效果。

1.1 作用域

我们通常使⽤ synchronized 关键字来给⼀段代码或⼀个⽅法上锁。它通常有以下三种形式：

// 关键字在实例⽅法上，锁为当前实例
public synchronized void instanceLock() {
 // code
}
// 关键字在静态⽅法上，锁为当前Class对象
public static synchronized void classLock() {
 // code
}
// 关键字在代码块上，锁为括号⾥⾯的对象
public void blockLock() {
 Object o = new Object();
 synchronized (o) {
 // code
 }
}

1.2 几种锁

一个对象其实有四种锁状态，它们有低到高，依次是：

• 无锁状态
• 偏向锁状态
• 轻量级锁状态
• 重量级锁状态

几种锁，会伴随着竞争情况逐渐升级，锁的升级很容易发生，但是降级发生的条件却十分的苛刻。
下面分别介绍几种锁以及它们之间的锁升级：

1.3 偏向锁

⼤多数情况下锁不仅不存在多线程竞争，⽽且总是由同⼀线程多次获得，于是引⼊了偏向锁。
偏向锁会偏向第一个访问锁的线程，如果在接下来运行过程中，没有别的线程再去竞争该锁，那么持有该锁的线程将永远不会触发同步，提高了程序的运行性能。

1.3.1 原理

原理：当线程第一次进入同步代码块时，会在对象头和栈帧中的锁记录⾥存储锁的偏向的线程ID。当下一次该线程再次进入该同步代码块时，会去对象头的mark word里查看标记，是否存在自己线程的线程ID。
如果是，则表明该线程已经获得了锁，进入同步代码块，不再需要花费CAS *** 作来加锁解锁。
如果不是，代表是另一个线程来竞争偏向锁，这时候CAS会尝试替换mark word的线程ID为新线程的线程ID。

• 成功，表示老线程ID不存在了，替换成功，这时候还是偏向锁。
• 失败，表示老线程ID依然存在，这时候会升级为轻量级锁，会按照轻量级锁的方式去竞争锁。

1.3.2 升级过程

偏向锁升级轻量级锁时，会暂停使用该锁的线程，重置偏向锁标识，大概过程如下：

• 系统会先找一个没有字节码在执行的时间点，，然后停止拥有该锁的线程；
• 遍历线程栈，修复或修改mark word，使其变为无锁的状态；
• 唤醒被停止的线程，使其变成轻量级锁；

所以，如果应⽤程序⾥所有的锁通常出于竞争状态，那么偏向锁就会是⼀种累赘， 我们可以对其默认关闭。

-XX:UseBiasedLocking=false。

1.4 轻量级锁

多个线程在不同的时段获取同一把锁，不存在锁竞争的情况。

1.4.1 原理

如果一个线程在获得锁的时候发现是轻量级锁，就会把锁的mark word复制到dispace mark word里面。然后尝试使用CAS将锁的mark word替换为指向锁记录的指针。

• 成功，当前线程获得锁；
• 失败，表名mark word 已经被替换成了其他线程的锁记录，接下来会尝试自旋来获取锁，如果一直获取不到，则升级为重量级锁。

一张图说明加锁释放锁的过程：

1.5 重量级锁

重量级锁依赖于 *** 作系统的互斥量（mutex） 实现的，⽽ *** 作系统中线程间状态的转换需要相对⽐较⻓的时间，所以重量级锁效率很低。
当多个线程同时请求某个对象锁时，对象锁会设置⼏种状态⽤来区分请求的线程：

• Contention List：所有请求锁的线程将被⾸先放置到该竞争队列
• Entry List：Contention List中那些有资格成为候选⼈的线程被移到Entry List
• Wait Set：那些调⽤wait⽅法被阻塞的线程被放置到Wait Set
• OnDeck：任何时刻最多只能有⼀个线程正在竞争锁，该线程称为OnDeck
• Owner：获得锁的线程称为Owner
• !Owner：释放锁的线程
  当线程释放锁时，会从Contention List或EntryList中挑选⼀个线程唤醒，被选中的线程叫做 Heir presumptive 即假定继承⼈，假定继承⼈被唤醒后会尝试获得锁，但 synchronized 是⾮公平的，所以假定继承⼈不⼀定能获得锁。 这是因为对于重量级锁，线程先⾃旋尝试获得锁，这样做的⽬的是为了减少执⾏ *** 作系统同步 *** 作带来的开销。如果⾃旋不成功再进⼊等待队列。这对那些已经在等待队列中的线程来说，稍微显得不公平，还有⼀个不公平的地⽅是⾃旋线程可能会抢占了Ready线程的锁。

1.6 各种锁对比

1.7 总结锁的升级流程

1. 每⼀个线程在准备获取共享资源时： 第⼀步，检查MarkWord⾥⾯是不是放的⾃⼰ 的ThreadId ,如果是，表示当前线程是处于 “偏向锁” 。
2. 第⼆步，如果MarkWord不是⾃⼰的ThreadId，锁升级，这时候，⽤CAS来执⾏切换，新的线程根据MarkWord⾥⾯现有的ThreadId，通知之前线程暂停，之前线程 将Markword的内容置为空。
3. 第三步，两个线程都把锁对象的HashCode复制到⾃⼰新建的⽤于存储锁的记录空 间，接着开始通过CAS *** 作， 把锁对象的MarKword的内容修改为⾃⼰新建的记录 空间的地址的⽅式竞争MarkWord。
4. 第四步，第三步中成功执⾏CAS的获得资源，失败的则进⼊⾃旋 。
5. 第五步，⾃旋的线程在⾃旋过程中，成功获得资源(即之前获的资源的线程执⾏完 成并释放了共享资源)，则整个状态依然处于轻量级锁的状态，如果⾃旋失败 。
6. 第六步，进⼊重量级锁的状态，这个时候，⾃旋的线程进⾏阻塞，等待之前线程执 ⾏完成并唤醒⾃⼰。