synchronized 和 ReentrantLock 的實現原理
在 JDK 1.5 之前共享對象的協調機制只有 synchronized 和 volatile，在 JDK 1.5 中增加了新的機制 ReentrantLock，該機制的誕生並不是爲了替代 synchronized，而是在 synchronized 不適用的情況下，提供一種可以選擇的高級功能。synchronized 和 ReentrantLock 是如何實現的？它們有什麼區別？
1）synchronized 和 ReentrantLock的區別
synchronized 屬於獨佔式悲觀鎖，是通過 JVM 隱式實現的，synchronized 只允許同一時刻只有一個線程操作資源。
在 Java 中每個對象都隱式包含一個 monitor（監視器）對象，加鎖的過程其實就是競爭 monitor 的過程，當線程進入字節碼 monitorenter 指令之後，線程將持有 monitor 對象，執行 monitorexit 時釋放 monitor 對象，當其他線程沒有拿到 monitor 對象時，則需要阻塞等待獲取該對象。
ReentrantLock 是 Lock 的默認實現方式之一，它是基於 AQS（Abstract Queued Synchronizer，隊列同步器）實現的，它默認是通過非公平鎖實現的，在它的內部有一個 state 的狀態字段用於表示鎖是否被佔用，如果是 0 則表示鎖未被佔用，此時線程就可以把 state 改爲 1，併成功獲得鎖，而其他未獲得鎖的線程只能去排隊等待獲取鎖資源。
synchronized 和 ReentrantLock 都提供了鎖的功能，具備互斥性和不可見性。在 JDK 1.5 中 synchronized 的性能遠遠低於 ReentrantLock，但在 JDK 1.6 之後 synchronized 的性能略低於 ReentrantLock，它的區別如下：
- synchronized 是 JVM 隱式實現的，而 ReentrantLock 是 Java 語言提供的 API；
- ReentrantLock 可設置爲公平鎖，而 synchronized 卻不行；
- ReentrantLock 只能修飾代碼塊，而 synchronized 可以用於修飾方法、修飾代碼塊等；
- ReentrantLock 需要手動加鎖和釋放鎖，如果忘記釋放鎖，則會造成資源被永久佔用，而 synchronized 無需手動釋放鎖；
- ReentrantLock 可以知道是否成功獲得了鎖，而 synchronized 卻不行。
2）知識擴展
2.1）ReentrantLock 源碼分析
從源碼出發來解密 ReentrantLock 的具體實現細節，首先來看 ReentrantLock 的兩個構造函數：
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync(); // 非公平鎖
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
無參的構造函數創建了一個非公平鎖，用戶也可以根據第二個構造函數，設置一個 boolean 類型的值，來決定是否使用公平鎖來實現線程的調度。
2.2）公平鎖 VS 非公平鎖
公平鎖的含義是線程需要按照請求的順序來獲得鎖；而非公平鎖則允許“插隊”的情況存在，所謂的“插隊”指的是，線程在發送請求的同時該鎖的狀態恰好變成了可用，那麼此線程就可以跳過隊列中所有排隊的線程直接擁有該鎖。
而公平鎖由於有掛起和恢復所以存在一定的開銷，因此性能不如非公平鎖，所以 ReentrantLock 和 synchronized 默認都是非公平鎖的實現方式。
ReentrantLock 是通過 lock() 來獲取鎖，並通過 unlock() 釋放鎖，使用代碼如下：
Lock lock = new ReentrantLock();
try {
// 加鎖
lock.lock();
//......業務處理
} finally {
// 釋放鎖
lock.unlock();
}
ReentrantLock 中的 lock() 是通過 sync.lock() 實現的，但 Sync 類中的 lock() 是一個抽象方法，需要子類 NonfairSync 或 FairSync 去實現，NonfairSync 中的 lock() 源碼如下：
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
// 將當前線程設置爲此鎖的持有者
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
FairSync 中的 lock() 源碼如下：
final void lock() {
acquire(1);
}
可以看出非公平鎖比公平鎖只是多了一行 compareAndSetState 方法，該方法是嘗試將 state 值由 0 置換爲 1，如果設置成功的話，則說明當前沒有其他線程持有該鎖，不用再去排隊了，可直接佔用該鎖，否則，則需要通過 acquire 方法去排隊。acquire 源碼如下：
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
tryAcquire 方法嘗試獲取鎖，如果獲取鎖失敗，則把它加入到阻塞隊列中，來看 tryAcquire 的源碼：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
// 公平鎖比非公平鎖多了一行代碼 !hasQueuedPredecessors()
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) { //嘗試獲取鎖
setExclusiveOwnerThread(current); // 獲取成功，標記被搶佔
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc); // set state=state+1
return true;
}
return false;
}
對於此方法來說，公平鎖比非公平鎖只多一行代碼 !hasQueuedPredecessors()，它用來查看隊列中是否有比它等待時間更久的線程，如果沒有，就嘗試一下是否能獲取到鎖，如果獲取成功，則標記爲已經被佔用。
如果獲取鎖失敗，則調用 addWaiter 方法把線程包裝成 Node 對象，同時放入到隊列中，但 addWaiter 方法並不會嘗試獲取鎖，acquireQueued 方法纔會嘗試獲取鎖，如果獲取失敗，則此節點會被掛起，源碼如下：
/**
* 隊列中的線程嘗試獲取鎖，失敗則會被掛起
*/
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true; // 獲取鎖是否成功的狀態標識
try {
boolean interrupted = false; // 線程是否被中斷
for (;;) {
// 獲取前一個節點（前驅節點）
final Node p = node.predecessor();
// 當前節點爲頭節點的下一個節點時，有權嘗試獲取鎖
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node); // 獲取成功，將當前節點設置爲 head 節點
p.next = null; // 原 head 節點出隊，等待被 GC
failed = false; // 獲取成功
return interrupted;
}
// 判斷獲取鎖失敗後是否可以掛起
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
// 線程若被中斷，返回 true
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
該方法會使用 for( ;; ) 無限循環的方式來嘗試獲取鎖，若獲取失敗，則調用 shouldParkAfterFailedAcquire 方法，嘗試掛起當前線程，源碼如下：
/**
* 判斷線程是否可以被掛起
*/
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
// 獲得前驅節點的狀態
int ws = pred.waitStatus;
// 前驅節點的狀態爲 SIGNAL，當前線程可以被掛起（阻塞）
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
if (ws > 0) {
do {
// 若前驅節點狀態爲 CANCELLED，那就一直往前找，直到找到一個正常等待的狀態爲止
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
// 並將當前節點排在它後邊
pred.next = node;
} else {
// 把前驅節點的狀態修改爲 SIGNAL
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
線程入列被掛起的前提條件是，前驅節點的狀態爲 SIGNAL，SIGNAL 狀態的含義是後繼節點處於等待狀態，當前節點釋放鎖後將會喚醒後繼節點。所以在上面這段代碼中，會先判斷前驅節點的狀態，如果爲 SIGNAL，則當前線程可以被掛起並返回 true；如果前驅節點的狀態 >0，則表示前驅節點取消了，這時候需要一直往前找，直到找到最近一個正常等待的前驅節點，然後把它作爲自己的前驅節點；如果前驅節點正常（未取消），則修改前驅節點狀態爲 SIGNAL。
到這裏整個加鎖的流程就已經走完了，最後的情況是，沒有拿到鎖的線程會在隊列中被掛起，直到擁有鎖的線程釋放鎖之後，纔會去喚醒其他的線程去獲取鎖資源，整個運行流程如下圖所示：
unlock 相比於 lock 來說就簡單很多了，源碼如下：
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
// 嘗試釋放鎖
if (tryRelease(arg)) {
// 釋放成功
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
鎖的釋放流程爲，先調用 tryRelease 方法嘗試釋放鎖，如果釋放成功，則查看頭結點的狀態是否爲 SIGNAL，如果是，則喚醒頭結點的下個節點關聯的線程；如果釋放鎖失敗，則返回 false。
tryRelease 源碼如下：
/**
* 嘗試釋放當前線程佔有的鎖
*/
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases; // 釋放鎖後的狀態，0 表示釋放鎖成功
// 如果擁有鎖的線程不是當前線程的話拋出異常
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) { // 鎖被成功釋放
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null); // 清空獨佔線程
}
setState(c); // 更新 state 值，0 表示爲釋放鎖成功
return free;
}
在 tryRelease 方法中，會先判斷當前的線程是不是佔用鎖的線程，如果不是的話，則會拋出異常；如果是的話，則先計算鎖的狀態值 getState() - releases 是否爲 0，如果爲 0，則表示可以正常的釋放鎖，然後清空獨佔的線程，最後會更新鎖的狀態並返回執行結果。
3）JDK 1.6 鎖優化
3.1）自適應自旋鎖
JDK 1.5 在升級爲 JDK 1.6 時，HotSpot 虛擬機團隊在鎖的優化上下了很大功夫，比如實現了自適應式自旋鎖、鎖升級等。
JDK 1.6 引入了自適應式自旋鎖意味着自旋的時間不再是固定的時間了，比如在同一個鎖對象上，如果通過自旋等待成功獲取了鎖，那麼虛擬機就會認爲，它下一次很有可能也會成功 (通過自旋獲取到鎖)，因此允許自旋等待的時間會相對的比較長，而當某個鎖通過自旋很少成功獲得過鎖，那麼以後在獲取該鎖時，可能會直接忽略掉自旋的過程，以避免浪費 CPU 的資源，這就是自適應自旋鎖的功能。
3.2）鎖升級
鎖升級其實就是從偏向鎖到輕量級鎖再到重量級鎖升級的過程，這是 JDK 1.6 提供的優化功能，也稱之爲鎖膨脹。
偏向鎖是指在無競爭的情況下設置的一種鎖狀態。偏向鎖的意思是它會偏向於第一個獲取它的線程，當鎖對象第一次被獲取到之後，會在此對象頭中設置標示爲“01”，表示偏向鎖的模式，並且在對象頭中記錄此線程的 ID，這種情況下，如果是持有偏向鎖的線程每次在進入的話，不再進行任何同步操作，如 Locking、Unlocking 等，直到另一個線程嘗試獲取此鎖的時候，偏向鎖模式纔會結束，偏向鎖可以提高帶有同步但無競爭的程序性能。但如果在多數鎖總會被不同的線程訪問時，偏向鎖模式就比較多餘了，此時可以通過 -XX:-UseBiasedLocking 來禁用偏向鎖以提高性能。
輕量鎖是相對於重量鎖而言的，在 JDK 1.6 之前，synchronized 是通過操作系統的互斥量（mutex lock）來實現的，這種實現方式需要在用戶態和核心態之間做轉換，有很大的性能消耗，這種傳統實現鎖的方式被稱之爲重量鎖。
而輕量鎖是通過比較並交換（CAS，Compare and Swap）來實現的，它對比的是線程和對象的 Mark Word（對象頭中的一個區域），如果更新成功則表示當前線程成功擁有此鎖；如果失敗，虛擬機會先檢查對象的 Mark Word 是否指向當前線程的棧幀，如果是，則說明當前線程已經擁有此鎖，否則，則說明此鎖已經被其他線程佔用了。當兩個以上的線程爭搶此鎖時，輕量級鎖就膨脹爲重量級鎖，這就是鎖升級的過程，也是 JDK 1.6 鎖優化的內容。
4）小結
本文主要講了 synchronized 和 ReentrantLock 的實現過程，然後講了 synchronized 和 ReentrantLock 的區別，最後通過源碼的方式講了 ReentrantLock 加鎖和解鎖的執行流程。接着又講了 JDK 1.6 中的鎖優化，包括自適應式自旋鎖的實現過程，以及 synchronized 的三種鎖狀態和鎖升級的執行流程。
synchronized 剛開始爲偏向鎖，隨着鎖競爭越來越激烈，會升級爲輕量級鎖和重量級鎖。如果大多數鎖被不同的線程所爭搶就不建議使用偏向鎖了。
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