[Java并发-4]Java锁相关

Java锁的类型

Java语言提供的锁的类型

  自旋锁：循环的使用CAS操作，直到成功。自旋锁是不会放弃CPU资源的。
  乐观锁：假设数据的并发操作没有冲突，所有线程都可以修改数据，在修改时判断数据和之前是否一致，一致则修改成功，不一致修改失败。
  悲观锁：假设数据的并发操作都有冲突，对数据的任何操作都采取同步。让所有的线程排队读写数据。
  独享锁：给资源加写锁，只有当前线程能够读写数据，其他线程既不能读数据，也不能写数据。小结：只有一个线程能够读写数据。
  共享锁：给资源加读锁，当前线程可以读数据，但是不能写数据。其他线程也可以对资源加读锁，但是不能加写锁。小结：多个线程能读数据，没有线程能写数据。
  可重入锁/不可重入锁：一个锁，可以锁多个资源。可重入锁是指：当线程拿到锁后，能够进入锁的同步的其他代码块中。不可重入锁是指：线程拿到锁后，不能进入锁的同步的其他代码块中，如果要进入，需要再次拿到锁。
  公平锁/非公平锁：是否按时间顺序拿到锁。公平锁就是先来后到，非公平锁就是允许插队获取锁。

同步关键字synchronized

synchronized简介

  Java语言中，每一个对象都能作为锁，具体表现形式：对于synchronized修饰的普通同步方法，锁是当前对象，如果是静态的同步方法，锁是当前类的Class对象，如果是同步代码块，锁是括号里的对象。synchronized同步的本质是，每一个对象都有一个Monitor监视器对象，通过进出Monitor，实现方法同步和代码块同步。进入Monitor的指令是monitorenter，退出Monitor的指令是monitorexit，一次只有一个线程，能够进入Monitor，其他的线程试图进入Monitor就会进入阻塞状态。synchronized不仅能保证同步，还能保证可见性和原子性。

  synchronized锁的特点是：悲观锁，独享锁，可重入锁。在一些场景下，JVM会对synchronized锁作出优化，例如锁粗化、锁消除。

    锁粗化：把多个连续的锁，扩展为一个更大的锁，以减少频繁的进出同步代码块，频繁做互斥同步操作带来的开销。这一点同样适用于我们写代码，如果有一个for循环里面的操作是同步的，那应该对整个for循环加锁，而不是对for循环内的操作加锁。

    锁消除：JVM能够针对同步代码块里的变量进行逃逸分析，如果同步代码块里的变量不会被其它线程访问，JVM在优化时就可以去除锁。我们写代码的时候，也不需要对方法变量进行加锁操作，因为方法变量是栈封闭的，只有当前线程能看到，不存在线程不安全问题。

  举2个例子。

    private int i;
    private int j;
    public void syn(){//锁粗化前
        synchronized (this) {
            i++;
        }
        synchronized (this) {
            j++;
        }
    }
    public void syn(){//锁粗化后
        synchronized (this) {
            i++;
            j++;
        }
    }

    public void test(){
        //append方法是synchronized方法，如果下面的程序是热点代码，JVM就能够消除进出Monitor的指令。因为str1是线程安全的变量。
        StringBuffer str1 = new StringBuffer();
        str1.append("a");
        str1.append("a");
        str1.append("a");
    }

线程阻塞的代价

  在分析锁的原理之前，首先要了解操作系统在切换线程的时候，需要付出什么样的代价，这更有利于我们站在JDK的角度，思考锁为什么这么设计。

  Java的线程，是在操作系统线程之上的，如果操作系统要阻塞/唤醒一个线程，就需要在用户态和内核态之间进行切换。用户态和内核态占用不同的内存空间，有各自专门的寄存器，用户态->内核态，需要传递很多参数给内核，内核也需要在切换的时候，保存用户的一些寄存器信息、变量等等。总之，这是一个比较消耗系统资源的过程。如果针对一些同步代码，代码执行需要的CPU资源，小于内核切换需要的CPU资源，那在高并发的环境下，等同于大量的资源用在了线程状态的切换。这也是synchronized在JDK1.6之前，性能被人诟病的原因，synchronized让所有线程排队进入同步代码块，拿不到Monitor锁的线程直接进入阻塞状态。

synchronized加锁的原理

  在HotSpot虚拟机中，对象在内存中由三部分组成：对象头、实例数据、对齐填充。对象头中，又由三部分组成：Mark Word、Class Metadata Address、Array Length。这三者在32位虚拟机中，占用内存大小均为32bit，在64位虚拟机中，占用的内存大小均为64bit。synchronized锁的信息，就存在Mark Word区域里。

  在32位JVM的Mark Word区域里，存储结构是这样的（图摘自网络），其中Epoch是偏向时间戳。当锁标志位是11时，这是给GC的标记清除算法使用的。

  有了上述的基础概念，我们接下来详细说synchronized到底是怎么实现加锁的。在JDK1.6版本的时候，其对synchronized关键字做了大量的优化，目的是为了降低加锁、解锁的开销。synchronized锁有4个级别，无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。在使用synchronized关键字加锁时，会先尝试使用低级别的锁，如果竞争厉害了，才使用高级别的锁，因为高级别的锁会消耗更多资源。下面是synchronized锁的状态转换图。