01 為什么要用鎖？

鎖-是為了解決并發(fā)操作引起的臟讀、數(shù)據(jù)不一致的問題。

02 鎖實現(xiàn)的基本原理

2.1、volatile

Java編程語言允許線程訪問共享變量， 為了確保共享變量能被準確和一致地更新，線程應該確保通過排他鎖單獨獲得這個變量。Java語言提供了volatile，在某些情況下比鎖要更加方便。

volatile在多處理器開發(fā)中保證了共享變量的“ 可見性”。可見性的意思是當一個線程修改一個共享變量時，另外一個線程能讀到這個修改的值。

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結(jié)論：如果volatile變量修飾符使用恰當?shù)脑挘萻ynchronized的使用和執(zhí)行成本更低，因為它不會引起線程上下文的切換和調(diào)度。

2.2、synchronized

synchronized通過鎖機制實現(xiàn)同步。

先來看下利用synchronized實現(xiàn)同步的基礎：Java中的每一個對象都可以作為鎖。

具體表現(xiàn)為以下3種形式。

對于普通同步方法，鎖是當前實例對象。

對于靜態(tài)同步方法，鎖是當前類的Class對象。

對于同步方法塊，鎖是Synchonized括號里配置的對象。

當一個線程試圖訪問同步代碼塊時，它首先必須得到鎖，退出或拋出異常時必須釋放鎖。

2.2.1 synchronized實現(xiàn)原理

synchronized是基于Monitor來實現(xiàn)同步的。

Monitor從兩個方面來支持線程之間的同步：

互斥執(zhí)行

協(xié)作

1、Java 使用對象鎖 ( 使用 synchronized 獲得對象鎖 ) 保證工作在共享的數(shù)據(jù)集上的線程互斥執(zhí)行。

2、使用 notify/notifyAll/wait 方法來協(xié)同不同線程之間的工作。

3、Class和Object都關(guān)聯(lián)了一個Monitor。

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Monitor 的工作機理

線程進入同步方法中。

為了繼續(xù)執(zhí)行臨界區(qū)代碼，線程必須獲取 Monitor 鎖。如果獲取鎖成功，將成為該監(jiān)視者對象的擁有者。任一時刻內(nèi)，監(jiān)視者對象只屬于一個活動線程（The Owner）

擁有監(jiān)視者對象的線程可以調(diào)用 wait() 進入等待集合（Wait Set），同時釋放監(jiān)視鎖，進入等待狀態(tài)。

其他線程調(diào)用 notify() / notifyAll() 接口喚醒等待集合中的線程，這些等待的線程需要重新獲取監(jiān)視鎖后才能執(zhí)行 wait() 之后的代碼。

同步方法執(zhí)行完畢了，線程退出臨界區(qū)，并釋放監(jiān)視鎖。

參考文檔：https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-synchronized

2.2.2 synchronized具體實現(xiàn)

1、同步代碼塊采用monitorenter、monitorexit指令顯式的實現(xiàn)。

2、同步方法則使用ACC_SYNCHRONIZED標記符隱式的實現(xiàn)。

通過實例來看看具體實現(xiàn)：

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javap編譯后的字節(jié)碼如下：

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monitorenter

每一個對象都有一個monitor，一個monitor只能被一個線程擁有。當一個線程執(zhí)行到monitorenter指令時會嘗試獲取相應對象的monitor，獲取規(guī)則如下：

如果monitor的進入數(shù)為0，則該線程可以進入monitor，并將monitor進入數(shù)設置為1，該線程即為monitor的擁有者。

如果當前線程已經(jīng)擁有該monitor，只是重新進入，則進入monitor的進入數(shù)加1，所以synchronized關(guān)鍵字實現(xiàn)的鎖是可重入的鎖。

如果monitor已被其他線程擁有，則當前線程進入阻塞狀態(tài)，直到monitor的進入數(shù)為0，再重新嘗試獲取monitor。

monitorexit

只有擁有相應對象的monitor的線程才能執(zhí)行monitorexit指令。每執(zhí)行一次該指令monitor進入數(shù)減1，當進入數(shù)為0時當前線程釋放monitor，此時其他阻塞的線程將可以嘗試獲取該monitor。

2.2.3 鎖存放的位置

鎖標記存放在Java對象頭的Mark Word中。

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Java對象頭長度

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32位JVM Mark Word 結(jié)構(gòu)

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32位JVM Mark Word 狀態(tài)變化

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64位JVM Mark Word 結(jié)構(gòu)

2.2.3 synchronized的鎖優(yōu)化

JavaSE1.6為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級鎖”。

在JavaSE1.6中，鎖一共有4種狀態(tài)，級別從低到高依次是：無鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級鎖狀態(tài)和重量級鎖狀態(tài)，這幾個狀態(tài)會隨著競爭情況逐漸升級。

鎖可以升級但不能降級，意味著偏向鎖升級成輕量級鎖后不能降級成偏向鎖。這種鎖升級卻不能降級的策略，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。

偏向鎖：

無鎖競爭的情況下為了減少鎖競爭的資源開銷，引入偏向鎖。

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輕量級鎖：

輕量級鎖所適應的場景是線程交替執(zhí)行同步塊的情況。

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鎖粗化 （Lock Coarsening）：也就是減少不必要的緊連在一起的unlock，lock操作，將多個連續(xù)的鎖擴展成一個范圍更大的鎖。

鎖消除 （Lock Elimination）：鎖削除是指虛擬機即時編譯器在運行時，對一些代碼上要求同步，但是被檢測到不可能存在共享數(shù)據(jù)競爭的鎖進行削除。

適應性自旋 （Adaptive Spinning）：自適應意味著自旋的時間不再固定了，而是由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定。如果在同一個鎖對象上，自旋等待剛剛成功獲得過鎖，并且持有鎖的線程正在運行中，那么虛擬機就會認為這次自旋也很有可能再次成功，進而它將允許自旋等待持續(xù)相對更長的時間，比如100個循環(huán)。另一方面，如果對于某個鎖，自旋很少成功獲得過，那在以后要獲取這個鎖時將可能省略掉自旋過程，以避免浪費處理器資源。

2.2.4 鎖的優(yōu)缺點對比

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2.3、CAS

CAS，在Java并發(fā)應用中通常指CompareAndSwap或CompareAndSet，即比較并交換。

1、CAS是一個原子操作，它比較一個內(nèi)存位置的值并且只有相等時修改這個內(nèi)存位置的值為新的值，保證了新的值總是基于最新的信息計算的，如果有其他線程在這期間修改了這個值則CAS失敗。CAS返回是否成功或者內(nèi)存位置原來的值用于判斷是否CAS成功。

2、JVM中的CAS操作是利用了處理器提供的CMPXCHG指令實現(xiàn)的。

優(yōu)點：

競爭不大的時候系統(tǒng)開銷小。

缺點：

循環(huán)時間長開銷大。

ABA問題。

只能保證一個共享變量的原子操作。

03 Java中的鎖實現(xiàn)

3.1、隊列同步器（AQS）

隊列同步器AbstractQueuedSynchronizer（以下簡稱同步器），是用來構(gòu)建鎖或者其他同步組件的基礎框架。

3.1.1、它使用了一個int成員變量表示同步狀態(tài)。

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3.1.2、通過內(nèi)置的FIFO雙向隊列來完成獲取鎖線程的排隊工作。

同步器包含兩個節(jié)點類型的應用，一個指向頭節(jié)點，一個指向尾節(jié)點，未獲取到鎖的線程會創(chuàng)建節(jié)點線程安全（compareAndSetTail）的加入隊列尾部。同步隊列遵循FIFO，首節(jié)點是獲取同步狀態(tài)成功的節(jié)點。

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未獲取到鎖的線程將創(chuàng)建一個節(jié)點，設置到尾節(jié)點。如下圖所示：

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首節(jié)點的線程在釋放鎖時，將會喚醒后繼節(jié)點。而后繼節(jié)點將會在獲取鎖成功時將自己設置為首節(jié)點。如下圖所示：

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3.1.3、獨占式/共享式鎖獲取

獨占式：有且只有一個線程能獲取到鎖，如：ReentrantLock；

共享式：可以多個線程同時獲取到鎖，如：CountDownLatch；

獨占式

每個節(jié)點自旋觀察自己的前一節(jié)點是不是Header節(jié)點，如果是，就去嘗試獲取鎖。

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獨占式鎖獲取流程：

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共享式：

共享式與獨占式的區(qū)別：

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共享鎖獲取流程：

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