Synchronized筆記

用戶態和內核態

平時我們所寫的java程序是運行在用戶空間的，因爲我們的jvm對於操作系統來講就是一個普通程序。用戶空間的程序要執行讀寫硬盤、讀寫網絡、讀寫內存等重要操作時必須經過操作系統內核來進行。

在JDK早期，Synchronized是重量級鎖，每次申請鎖都需要調用系統內核。需要從用戶空間切換到內核空間，拿到鎖後再將狀態返回給用戶空間。

CAS

cas（compare and swap）它指的是比較與交換，使用無鎖的機制保證操作對象的原子性，說是無鎖，其實它是一個自旋鎖。

首先讀取當前值，在計算預期的結果值，在把值修改回去的時候，要比較一下原來讀出來的值和現在的值是否相等，如果相等，說明沒有別的線程改動過，更新爲新的值。如果不一樣則說明已經別的線程改過了，這個時候，再次讀取當前值，重新再來一遍。cas的底層是由彙編指令lock和cmpxchg(compare and exchange)組合在一起來支撐的。

ABA問題解決：使用version標記，每次操作version加1

java對象佈局

openjdk提供了一個查看java對象佈局的工具，在maven中引入如下依賴即可使用

        <dependency>
            <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
            <artifactId>jol-core</artifactId>
            <version>0.10</version>
        </dependency>

當我們new 了一個java對象的時候，它在jvm裏面一定是佔據了一塊內存的，那麼這個java對象在內存中的佈局是什麼樣子的？

一個普通對象在內存中可以分成4個部分

• markword：對象頭標記字，存儲對象自身的運行時數據信息，如鎖狀態標誌，偏向線程ID等。
• class pointer：存儲類元數據的指針，它指向一個對象到底屬於哪個類。例如Object.class。
• instance data：對象自身真正有效數據存儲區域，存儲了各個字段的內容
• padding：如果一個對象前面的三部分不能被8字節整除，補齊到能整除

下面我們用jol這個工具來看一下一個對象在內存中的佈局
測試demo：

public class MackWordTest {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
        String print = ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable();
        System.out.println(print);
    }
}

運行結果如下：

前8個字節爲mark word，後面4個字節爲class pointer，然後是補齊。
給對象加上synchronized同步鎖之後，我們發現mark word發生了變化，說明鎖信息存在了mark word,給對象加鎖，其實就是修改mark word。

鎖升級

我們要探究鎖升級的過程，只需要看它mark word的變化過程就可以了

鎖狀態	25位	31位	1位	4bit	1bit偏向鎖位	2bit鎖標誌位
無鎖態（new）	unused	hashCode	unused	分代年齡	0	0	1
鎖狀態	54位	2位	1位	4bit	1bit偏向鎖位	2bit鎖標誌位
偏向鎖	當前線程指針JAVA Thread	Epoch	unused	分代年齡	1	0	1
鎖狀態	62位					2bit鎖標誌位
輕量級鎖/自旋鎖	指向線程棧中Lock Record的指針					0	0
重量級鎖	指向重量級鎖的指針					1	0
GC標記信息	CMS過程用到的標記信息					1	1

鎖的狀態分成4中：無鎖、偏向鎖、輕量級鎖或自旋鎖、重量級鎖
怎麼區分鎖的狀態呢？看鎖的標誌位和偏向鎖標誌位就好了
首先看鎖的標誌位：
00代表輕量級鎖，10代表重量級鎖，我們看到無鎖態和偏向鎖的鎖標誌位都是01，這個時候再看偏向鎖標誌位，也就是看後三位，001是無鎖，101是偏向鎖。
表中當前線程指針JAVA Thread指向的就是當前線程ID
Lock Record：由於synchronized默認是可以重入的，每個線程上自旋鎖的時候，在自己的線程棧中生成一個LockRecord對象，哪個線程能在markword裏寫入自己LockRecord對象的指針，就算是持有了鎖。鎖重入的時候再次生成一個LockRecord，這樣就記錄了到底鎖了多少次。
重量級鎖的底層實現就是ObjectMonitor（om），ObjectMonitor裏面記錄了等待的線程和參與競爭的線程

一個java對象剛new出來的時候，它有可能是無鎖態或者匿名偏向狀態，這個時候我們再用synchronized（obj）給這個對象上鎖，優先上偏向鎖。

偏向鎖就是說它偏向於某個線程，因爲我們在日常使用鎖的時候，大多數都是在一個線程，爲了這一個線程要去調用系統內核kernel，太浪費資源了，所以JDK在這裏進行了優化。凡是有一個線程第一次獲得這把鎖，就認爲這把鎖偏向於它，也就是不驚動操作系統內核，只需要將線程ID放入mark word裏就可以了。

當我們有多個線程競爭同一個資源的時候，鎖升級爲輕量級鎖/自旋鎖

自旋鎖就是多個線程去競爭同一把鎖，通過CAS的方式，哪個線程能把自己的信息寫入mark word，就算是持有了鎖。自旋鎖也不需要調用操作系統內核。

如果有特別多的線程同時去競爭一把鎖，那這個時候自旋鎖就會出現問題，大家想一下，我們的自旋鎖是一直在做while循環，假設有10000個線程參與競爭，這個時候真正在幹活的只有1個線程，剩下的9999個線程都在做while自旋，cpu資源全都浪費了。所以這種情況下會升級成爲重量級鎖

重量級鎖跟輕量級鎖最大的區別在於，重量級鎖經過操作系統內核的調度之後，系統內核提供一把鎖的同時，還會爲鎖提供wait set隊列，這些獲取不到鎖的線程都進入隊列等待，什麼時候獲取到鎖，線程才能繼續執行。

這裏面重量級鎖需要經過系統內核kernel，而偏向鎖和輕量級鎖在用戶空間就可以完成。

下面我們來看一些細節，輕量級鎖在什麼情況下會升級成爲重量級鎖？

JDK1.6之前，輕量級鎖升級成重量級鎖有兩個條件：

• 輕量級鎖自旋次數超過10次
• 等待線程的數量超過cpu核數的2分之一

JDK1.6之後對此進行了優化，引入了自適應自旋，JDK會根據每個線程的運行情況來判斷是不是要升級。

從上圖中可以看到，偏向鎖沒有啓動的時候，我們new了一個對象，它是一個普通對象，偏向鎖已經啓動的時候，new出來是一個匿名偏向對象。這裏到底是什麼意思？

java提供了偏向鎖啓動配置的參數（使用java -XX:+PrintFlagsFinal可以查看JVM可設置的參數）：
偏向鎖啓動延遲時間： -XX:BiasedLockingStartupDelay=4000
偏向鎖開關：-XX:UseBiasedLocking=true
偏向鎖默認是打開的，它有一個啓動延遲，默認是4秒鐘。

爲什麼偏向鎖要延遲4秒？

jvm在啓動過程中是有大量的線程競爭資源的，這個時候啓動偏向鎖是沒有意義的，所以延遲4秒，等待JVM啓動。

偏向鎖已經啓動，剛new的一個對象，還沒有任何線程持有這把鎖，這個時候沒有偏向任何線程，所以是匿名偏向

那如果是普通對象，在偏向鎖還沒啓動的時候，如果有競爭，這個時候就之間升級成輕量級鎖。