Java EE初阶启程记12---synchronized 原理

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目录

一、基本特点

二、加锁工作过程

1、偏向锁

2、轻量级锁

3、重量级锁

三、其他的优化操作

1、锁消除

2、锁粗化

四、相关面试题

1、什么是偏向锁?

2、synchronized 实现原理是什么？

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一、基本特点

结合上面的锁策略，我们就可以总结出，synchronized具有以下特性(只考虑JDK1.8)：

1）开始时是乐观锁，如果锁冲突频繁，就转换为悲观锁。

2）开始是轻量级锁实现，如果锁被持有的时间较长，就转换成重量级锁。

3）实现轻量级锁的时候大概率用到的自旋锁策略。

4）是一种不公平锁。

5）是一种可重入锁。

6）不是读写锁。

二、加锁工作过程

        JVM 将 synchronized 锁分为无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁状态。会根据情况，进行依次升级。

1、偏向锁

第一个尝试加锁的线程，优先进入偏向锁状态。

偏向锁不是真的"加锁"，只是给对象头中做一个"偏向锁的标记"，记录这个锁属于哪个线程。

如果后续没有其他线程来竞争该锁，那么就不用进行其他同步操作了(避免了加锁解锁的开销)

如果后续有其他线程来竞争该锁(刚才已经在锁对象中记录了当前锁属于哪个线程了，很容易识别当前申请锁的线程是不是之前记录的线程)，那就取消原来的偏向锁状态，进入一般的轻量级锁状态。

偏向锁本质上相当于"延迟加锁"，能不加锁就不加锁，尽量来避免不必要的加锁开销。

但是该做的标记还是得做的，否则无法区分何时需要真正加锁。

举个例子理解偏向锁：

假设男主是一个锁，女主是一个线程，如果只有这一个线程来使用这个锁，那么男主女主即使不领证结婚(避免了高成本操作)，也可以一直幸福的生活下去。

但是女配出现了，也尝试竞争男主，此时不管领证结婚这个操作成本多高，女主也势必要把这个动作完成了，让女配死心。

2、轻量级锁

随着其他线程进入竞争，偏向锁状态被消除，进入轻量级锁状态(自适应的自旋锁)。

此处的轻量级锁就是通过CAS来实现。

        通过CAS检查并更新一块内存(比如null=>该线程引用)。

        如果更新成功，则认为加锁成功。

        如果更新失败，则认为锁被占用，继续自旋式的等待(并不放弃CPU)。

自旋操作是一直让CPU空转，比较浪费CPU资源。

因此此处的自旋不会一直持续进行，而是达到一定的时间/重试次数，就不再自旋了。

也就是所谓的"自适应"。

3、重量级锁

如果竞争进一步激烈，自旋不能快速获取到锁状态，就会膨胀为重量级锁

此处的重量级锁就是指用到内核提供的mutex。

        执行加锁操作，先进入内核态。

        在内核态判定当前锁是否已经被占用。

        如果该锁没有占用，则加锁成功，并切换回用户态。

        如果该锁被占用，则加锁失败。此时线程进入锁的等待队列，挂起，等待被操作系统唤醒。

        经历了一系列的沧海桑田，这个锁被其他线程释放了，操作系统也想起了这个挂起的线程，于是唤醒这个线程，尝试重新获取锁。

三、其他的优化操作

1、锁消除

编译器+JVM判断锁是否可消除，如果可以，就直接消除。

什么是"锁消除"？

有些应用程序的代码中，用到了synchronized，但其实没有在多线程环境下。(例如StringBuffer)

 StringBuffer sb = new StringBuffer();sb.append("a");sb.append("b");sb.append("c");sb.append("d");

此时每个append的调用都会涉及加锁和解锁，但如果只是在单线程中执行这个代码，那么这些加锁解锁操作是没有必要的，白白浪费了一些资源开销。

2、锁粗化

一段逻辑中如果出现多次加锁解锁，编译器+JVM会自动进行锁的粗化。

锁的粒度：粗和细

实际开发过程中，使用细粒度锁，是期望释放锁的时候其他线程能使用锁。

但是实际上可能并没有其他线程来抢占这个锁，这种情况JVM就会自动把锁粗化，避免频繁申请释放锁。

举个例子理解锁粗化：

滑稽老哥当了领导，给下属交代工作任务：

方式一：

        打电话，交代任务1，挂电话。

        打电话，交代任务2，挂电话。

        打电话，交代任务3，挂电话。

方式二：

        打电话，交代任务1，任务2，任务3，挂电话。

显然，方式⼆是更高效的方案。

可以看到，synchronized的策略是比价复杂的，在背后做了很多事情，目的为了让程序猿哪怕啥都不懂，也不至于写出特别慢的程序。

JVM开发者为了Java程序猿操碎了心。

四、相关面试题

1、什么是偏向锁?

偏向锁不是真的加锁，而只是在锁的对象头中记录一个标记(记录该锁所属的线程)。如果没有其他线程参与竞争锁，那么就不会真正执行加锁操作，从而降低程序开销，一旦真的涉及到其他的线程竞争，再取消偏向锁状态，进入轻量级锁状态。

2、synchronized 实现原理是什么？

参考上面的 synchronized 原理章节全部内容