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synchronized / Lock
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JDK 1.5之前
，Java通过
synchronized
关键字来实现
锁
功能
- synchronized是JVM实现的内置锁，锁的获取和释放都是由JVM隐式实现的
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JDK 1.5
，并发包中新增了
Lock接口
来实现锁功能
- 提供了与synchronized类似的同步功能，但需要显式获取和释放锁
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Lock同步锁是基于
Java
实现的，而synchronized是基于底层操作系统的
Mutex Lock
实现的
- 每次获取和释放锁都会带来用户态和内核态的切换，从而增加系统的性能开销
- 在锁竞争激烈的情况下，synchronized同步锁的性能很糟糕
- 在JDK 1.5，在单线程重复申请锁的情况下，synchronized锁性能要比Lock的性能差很多
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JDK 1.6，Java对synchronized同步锁做了充分的优化，甚至在某些场景下，它的性能已经超越了Lock同步锁
实现原理
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public class SyncTest {
public synchronized void method1() {
}
public void method2() {
Object o = new Object();
synchronized (o) {
}
}
}
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$ javac -encoding UTF-8 SyncTest.java
$ javap -v SyncTest
修饰方法
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public synchronized void method1();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
Code:
stack=0, locals=1, args_size=1
0: return
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JVM使用ACC_SYNCHRONIZED访问标识来区分一个方法是否为同步方法
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在方法调用时，会检查方法是否被设置了
ACC_SYNCHRONIZED
访问标识
- 如果是，执行线程会将先尝试持有Monitor对象，再执行方法，方法执行完成后，最后释放Monitor对象
修饰代码块
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public void method2();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=4, args_size=1
0: new #2 // class java/lang/Object
3: dup
4: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
7: astore_1
8: aload_1
9: dup
10: astore_2
11: monitorenter
12: aload_2
13: monitorexit
14: goto 22
17: astore_3
18: aload_2
19: monitorexit
20: aload_3
21: athrow
22: return
- synchronized修饰同步代码块时，由monitorenter和monitorexit指令来实现同步
- 进入monitorenter指令后，线程将持有该Monitor对象，进入monitorexit指令，线程将释放该Monitor对象
管程模型
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JVM中的同步是基于进入和退出管程（Monitor）对象实现的
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每个Java对象实例都会有一个Monitor，Monitor可以和Java对象实例一起被创建和销毁
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Monitor是由ObjectMonitor实现的，对应ObjectMonitor.hpp
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当多个线程同时访问一段同步代码时，会先被放在EntryList中
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当线程获取到Java对象的Monitor时（Monitor是依靠
底层操作系统
的
Mutex Lock
来实现
互斥
的）
- 线程申请Mutex成功，则持有该Mutex，其它线程将无法获取到该Mutex
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进入
WaitSet
- 竞争锁失败的线程会进入WaitSet
- 竞争锁成功的线程如果调用wait方法，就会释放当前持有的Mutex，并且该线程会进入WaitSet
- 进入WaitSet的进程会等待下一次唤醒，然后进入EntryList重新排队
-
如果当前线程顺利执行完方法，也会释放Mutex
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Monitor依赖于底层操作系统的实现，存在用户态和内核态之间的切换，所以增加了性能开销
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ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0; // 记录个数
_waiters = 0,
_recursions = 0;
_object = NULL;
_owner = NULL; // 持有该Monitor的线程
_WaitSet = NULL; // 处于wait状态的线程，会被加入 _WaitSet
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ;
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ; // 多个线程访问同步块或同步方法，会首先被加入 _EntryList
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
_previous_owner_tid = 0;
}
锁升级优化
- 为了提升性能，在JDK 1.6引入偏向锁、轻量级锁、重量级锁，用来减少锁竞争带来的上下文切换
- 借助JDK 1.6新增的Java对象头，实现了锁升级功能
Java对象头
- 在JDK 1.6的JVM中，对象实例在堆内存中被分为三部分：对象头、实例数据、对齐填充
- 对象头的组成部分：Mark Word、指向类的指针、数组长度（可选，数组类型时才有）
- Mark Word记录了对象和锁有关的信息，在64位的JVM中，Mark Word为64 bit
- 锁升级功能主要依赖于Mark Word中锁标志位和是否偏向锁标志位
- synchronized同步锁的升级优化路径：偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁
偏向锁
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偏向锁主要用来优化同一线程多次申请同一个锁的竞争，在某些情况下，大部分时间都是同一个线程竞争锁资源
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偏向锁的作用
- 当一个线程再次访问同一个同步代码时，该线程只需对该对象头的Mark Word中去判断是否有偏向锁指向它
- 无需再进入Monitor去竞争对象（避免用户态和内核态的切换）
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当对象被当做同步锁，并有一个线程抢到锁时
- 锁标志位还是01，是否偏向锁标志位设置为1，并且记录抢到锁的线程ID，进入偏向锁状态
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偏向锁
不会主动释放锁
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当线程1再次获取锁时，会比较当前线程的ID与锁对象头部的线程ID是否一致，如果一致，无需CAS来抢占锁
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如果不一致，需要查看
锁对象头部记录的线程
是否存活
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如果没有存活，那么锁对象被重置为无锁状态（也是一种撤销），然后重新偏向线程2
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如果
存活
，查找线程1的栈帧信息
- 如果线程1还是需要继续持有该锁对象，那么暂停线程1（STW），撤销偏向锁，升级为轻量级锁
- 如果线程1不再使用该锁对象，那么将该锁对象设为无锁状态（也是一种撤销），然后重新偏向线程2
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一旦出现其他线程竞争锁资源时，偏向锁就会被
撤销
- 偏向锁的撤销可能需要等待全局安全点，暂停持有该锁的线程，同时检查该线程是否还在执行该方法
- 如果还没有执行完，说明此刻有多个线程竞争，升级为轻量级锁；如果已经执行完毕，唤醒其他线程继续CAS抢占
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在
高并发
场景下，当
大量线程
同时竞争同一个锁资源时，偏向锁会被
撤销
，发生
STW
，加大了
性能开销
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默认配置
-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=4000- 默认开启偏向锁，并且延迟生效，因为JVM刚启动时竞争非常激烈
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关闭偏向锁
-XX:-UseBiasedLocking
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直接
设置为重量级锁
-XX:+UseHeavyMonitors
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红线流程部分：偏向锁的获取和撤销
轻量级锁
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当有另外一个线程竞争锁时，由于该锁处于偏向锁状态
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发现对象头Mark Word中的线程ID不是自己的线程ID，该线程就会执行
CAS
操作获取锁
- 如果获取成功，直接替换Mark Word中的线程ID为自己的线程ID，该锁会保持偏向锁状态
- 如果获取失败，说明当前锁有一定的竞争，将偏向锁升级为轻量级锁
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线程获取轻量级锁时会有两步
- 先把锁对象的Mark Word复制一份到线程的栈帧中（DisplacedMarkWord），主要为了保留现场!!
- 然后使用CAS，把对象头中的内容替换为线程栈帧中DisplacedMarkWord的地址
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场景
- 在线程1复制对象头Mark Word的同时（CAS之前），线程2也准备获取锁，也复制了对象头Mark Word
- 在线程2进行CAS时，发现线程1已经把对象头换了，线程2的CAS失败，线程2会尝试使用自旋锁来等待线程1释放锁
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轻量级锁的适用场景：线程交替执行同步块，绝大部分的锁在整个同步周期内都不存在长时间的竞争
红线流程部分：升级轻量级锁
自旋锁 / 重量级锁
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轻量级锁
CAS
抢占失败，线程将会被挂起进入
阻塞
状态
- 如果正在持有锁的线程在很短的时间内释放锁资源，那么进入阻塞状态的线程被唤醒后又要重新抢占锁资源
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JVM提供了自旋锁，可以通过自旋的方式不断尝试获取锁，从而避免线程被挂起阻塞
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从
JDK 1.7
开始，
自旋锁默认启用
，自旋次数
不建议设置过大
（意味着
长时间占用CPU
）
-XX:+UseSpinning -XX:PreBlockSpin=10
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自旋锁重试之后如果依然抢锁失败，同步锁会升级至
重量级锁
，锁标志位为
10
- 在这个状态下，未抢到锁的线程都会进入Monitor，之后会被阻塞在WaitSet中
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在
锁竞争不激烈
且
锁占用时间非常短
的场景下，自旋锁可以提高系统性能
- 一旦锁竞争激烈或者锁占用的时间过长，自旋锁将会导致大量的线程一直处于CAS重试状态，占用CPU资源
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在
高并发
的场景下，可以通过
关闭自旋锁
来优化系统性能
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-XX:-UseSpinning- 关闭自旋锁优化
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-XX:PreBlockSpin- 默认的自旋次数，在JDK 1.7后，由JVM控制
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小结
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JVM在JDK 1.6中引入了分级锁机制来优化synchronized
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当一个线程获取锁时，首先对象锁成为一个
偏向锁
- 这是为了避免在同一线程重复获取同一把锁时，用户态和内核态频繁切换
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如果有多个线程竞争锁资源，锁将会升级为
轻量级锁
- 这适用于在短时间内持有锁，且分锁交替切换的场景
- 轻量级锁还结合了自旋锁来避免线程用户态与内核态的频繁切换
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如果锁竞争太激烈（自旋锁失败），同步锁会升级为重量级锁
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优化synchronized同步锁的关键：
减少锁竞争
- 应该尽量使synchronized同步锁处于轻量级锁或偏向锁，这样才能提高synchronized同步锁的性能
- 常用手段
- 减少锁粒度：降低锁竞争
- 减少锁的持有时间，提高synchronized同步锁在自旋时获取锁资源的成功率，避免升级为重量级锁
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在锁竞争激烈时，可以考虑禁用偏向锁和禁用自旋锁