参考资料

锁原理
https://www.jianshu.com/p/8ce9c0ed428d

https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483

死磕java
http://cmsblogs.com/?p=2071

概述

Synchronized，它就是一个：非公平，悲观，独享，互斥，可重入锁。
优化以后，是基于JVM内部实现，可以根据竞争激烈程度，从偏向锁-->轻量级锁-->重量级锁升级。

synchronized的用法

• 修饰方法和修饰代码块
• 锁普通对象和锁类对象和锁this

1. 修饰普通方法，相当于锁当前对象，调用者，也指 this对象
2. 修饰静态方法，相当于锁当前类对象，也指 Test.class
3. 修饰代码块，可以缩小锁的范围，提升性能

注意事项：

1. 锁普通方法和锁this的代码块，都是对象锁，锁静态方法和Test.class是类锁。
2. 有锁方法和无锁方法互相不影响
3. 类锁和对象锁互相不影响
4. 释放锁的时候，修改的变量对所有线程可见，满足HB原则，从而实现线程安全

Synchronized3种级别锁原理（JDK1.6后的特性）

特性：

1. MarkWord总共有四种状态:无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。
2. 随着锁的竞争：偏向锁-->轻量级锁-->重量级锁
3. 锁的升级是单向的，只能从低到高升级

实现原理：

• 每个java对象对应唯一的消息头，锁的状态不同，消息头的结构和标志位不同
• 处于不同状态的锁，不仅仅MarkWord的数据结构不同，同步线程们竞争锁的方式也不同

Markword的由来

对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）

Header对象头包括两部分信息：

1. MarkWord:用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit
2. klass 对象头的另外一部分是klass类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例.

偏向锁的原理

image

竞争的逻辑：如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能。

1. 偏向锁状态的消息头结构： 消息头锁标志位01、是否是偏向锁0 1、偏向线程ID
2. 如果3个条件都满足，锁标志位-- 01，是否是偏向锁 --1，偏向线程ID -- 当前线程，则直接获取到锁，不需要任何CAS操作，而且执行完同步代码块后，并不会修改这3个条件
3. 如果一个新的线程尝试获取锁（但是未竞争，之前的线程已经使用完了），发现锁标志位-- 01，是否是偏向锁 --1，偏向线程ID --不是自己，则会触发一个check，old线程的锁是否使用完了，如果使用完了，则不存在竞争，CAS把偏向线程ID指向自己，这个对象锁就归自己所有了
4. 如果一个新的线程尝试获取锁（竞争态），锁标志位-- 01，是否是偏向锁 --1,偏向线程不是自己，且check发现还在使用，竞争成立，则挂起当前线程，并达到安全点后（old线程执行完了），该对象锁升级为轻量级锁
5. 偏向锁的释放采用了一种只有竞争才会释放锁的机制，线程是不会主动去释放偏向锁，需要等待其他线程来竞争

偏向锁的好处

1. 如果不存在多线程同时竞争一把锁的时候，减少CAS操作

• 老线程重复使用锁，无需任何CAS操作
• 新线程获取偏向锁，但是没有竞争，只需要在满足条件的时候CAS偏向线程ID即可

2. 完美支持重入功能，而且没有任何CAS操作

轻量级锁原理

1. check消息头的状态：是否处于无锁状态（偏向锁状态结束了，因为存在竞争，等安全点后释放锁了，就是无锁状态）
2. 是的话，所有争夺的线程都会拷贝一份消息头到各自的线程栈的 lock record中，叫做displace Mark Word，并且会记录自己的唯一线程标识符
3. CAS 把公有的消息头，变成指向自己线程标识符，这个时候消息头的数据结构发生改变，变成线程引用
4. CAS成功的线程会，执行同步操作
5. 最后把displace Mark Word 写回到 公有消息头里面，释放锁
6. 重入的时候，无需要任何的操作，只需要在自己的displace Mark Word中标记一下
7. CAS争夺锁失败的线程会发生自旋，自旋一定次数后还是失败的话，会修改消息头的状态为重量级锁，并且自身进入阻塞状态，等待拥有锁的线程执行结束。

轻量级锁的优势：在获取锁的耗时不长的时候（比如锁的执行时间短、或者争抢的线程不多可以很快获得锁），通过一定次数的自旋，避免了重量级锁的线程阻塞和切换，提升了响应速度也兼顾了CPU的性能。

Synchronized 重量级锁的实现原理

原理：竞争线程存在EntryList里面阻塞等待，当锁释放时，EntryList所有线程被唤醒，做一次非公平的CAS竞争

1. 所有的竞争线程首先通过CAS拼接到Contention List这个队列里面，所以Contention List的CAS操作会很频繁
2. 当Owner unlock的时候，会把一些线程推入到EntryList当中，然后EntryList开始CAS竞争Owner（非公平锁），竞争成功就拿到锁，其它线程开始阻塞，等待下一次机会
3. 当一个有锁线程调用obj.wait方法时，它会放弃Owner，进入WaitSet，当调用notify方法，会从waitSet中随机选一个线程，nitifyAll就是全部进行操作，让他们进入EntryList

重量级锁（Synchronized的对象锁)monitor的结构：

• Owner：如果为NULL，表示该对象处于非锁定状态，或者指向拥有该锁的线程
• Count：哪些调用wait方法被阻塞的线程被放置在这里；
• WaitSet：记录处于wait状态的线程
• Contention List：竞争队列，所有请求锁的线程首先被放在这个竞争队列中；
• EntryList：Contention List中那些有资格成为候选资源的线程被移动到Entry List中；

其它特点：

1. 处于ContentionList、EntryList、WaitSet中的线程都处于阻塞状态，该阻塞是由操作系统来完成的
2. Synchronized是非公平锁（类似RentrenLock)。Synchronized在线程进入ContentionList时，等待的线程会先尝试自旋获取锁，如果获取不到就进入ContentionList，这明显对于已经进入队列的线程是不公平的，还有一个不公平的事情就是自旋获取锁的线程还可能直接抢占OnDeck线程的锁资源。

3种锁竞争的对比

1. 没有竞争的时候选择偏向锁，极少的CAS开销，线程重入时甚至没有CAS的开销，甚至比ReentrantLock的实现更轻量
2. 轻微竞争的时候，自旋的性能最好，少数几个争抢的线程通过自旋获得锁，Cpu的开销不大，获取锁的速度又极快，业务也不复杂
3. 竞争激烈的时候，大量竞争线程的自旋会导致Cpu的无意义消耗，所以在EntryList中阻塞，等待释放锁的唤醒竞争是最好的方案。类似于ReentrantLock的AQS队列的方案。