這篇文章主要介紹java中鎖機(jī)制的示例分析，文中介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們一定要看完！

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何為同步？JVM規(guī)范規(guī)定JVM基于進(jìn)入和退出Monitor對象來實現(xiàn)方法同步和代碼塊同步，但兩者的實現(xiàn)細(xì)節(jié)不一樣。代碼塊同步是使用monitorenter和monitorexit指令實現(xiàn)，而方法同步是使用另外一種方式實現(xiàn)的，細(xì)節(jié)在JVM規(guī)范里并沒有詳細(xì)說明，但是方法的同步同樣可以使用這兩個指令來實現(xiàn)。monitorenter指令是在編譯后插入到同步代碼塊的開始位置，而monitorexit是插入到方法結(jié)束處和異常處， JVM要保證每個monitorenter必須有對應(yīng)的monitorexit與之配對。任何對象都有一個 monitor 與之關(guān)聯(lián)，當(dāng)且一個monitor 被持有后，它將處于鎖定狀態(tài)。線程執(zhí)行到 monitorenter 指令時，將會嘗試獲取對象所對應(yīng)的 monitor 的所有權(quán)，即嘗試獲得對象的鎖。

Java對象頭

鎖存在Java對象頭里。如果對象是數(shù)組類型，則虛擬機(jī)用3個Word（字寬）存儲對象頭，如果對象是非數(shù)組類型，則用2字寬存儲對象頭。在32位虛擬機(jī)中，一字寬等于四字節(jié)，即32bit。

Java對象頭里的Mark Word里默認(rèn)存儲對象的HashCode，分代年齡和鎖標(biāo)記位。32位JVM的Mark Word的默認(rèn)存儲結(jié)構(gòu)如下：

在運行期間Mark Word里存儲的數(shù)據(jù)會隨著鎖標(biāo)志位的變化而變化。Mark Word可能變化為存儲以下4種數(shù)據(jù)：

幾種鎖的類型

線程的阻塞和喚醒需要CPU從用戶態(tài)轉(zhuǎn)為核心態(tài)，頻繁的阻塞和喚醒對CPU來說是一件負(fù)擔(dān)很重的工作。

Java SE1.6為了減少獲得鎖和釋放鎖所帶來的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級鎖”，所以在Java SE1.6里鎖一共有四種狀態(tài)，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)，它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

大多數(shù)情況下鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一線程多次獲得。偏向鎖的目的是在某個線程獲得鎖之后，消除這個線程鎖重入（CAS）的開銷，看起來讓這個線程得到了偏護(hù)。另外，JVM對那種會有多線程加鎖，但不存在鎖競爭的情況也做了優(yōu)化，聽起來比較拗口，但在現(xiàn)實應(yīng)用中確實是可能出現(xiàn)這種情況，因為線程之前除了互斥之外也可能發(fā)生同步關(guān)系，被同步的兩個線程（一前一后）對共享對象鎖的競爭很可能是沒有沖突的。對這種情況，JVM用一個epoch表示一個偏向鎖的時間戳（真實地生成一個時間戳代價還是蠻大的，因此這里應(yīng)當(dāng)理解為一種類似時間戳的identifier）

偏向鎖的獲取

當(dāng)一個線程訪問同步塊并獲取鎖時，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲鎖偏向的線程ID，以后該線程在進(jìn)入和退出同步塊時不需要花費CAS操作來加鎖和解鎖，而只需簡單的測試一下對象頭的Mark Word里是否存儲著指向當(dāng)前線程的偏向鎖，如果測試成功，表示線程已經(jīng)獲得了鎖，如果測試失敗，則需要再測試下Mark Word中偏向鎖的標(biāo)識是否設(shè)置成1（表示當(dāng)前是偏向鎖），如果沒有設(shè)置，則使用CAS競爭鎖，如果設(shè)置了，則嘗試使用CAS將對象頭的偏向鎖指向當(dāng)前線程。

偏向鎖的撤銷

偏向鎖使用了一種等到競爭出現(xiàn)才釋放鎖的機(jī)制，所以當(dāng)其他線程嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的線程才會釋放鎖。偏向鎖的撤銷，需要等待全局安全點（在這個時間點上沒有字節(jié)碼正在執(zhí)行），它會首先暫停擁有偏向鎖的線程，然后檢查持有偏向鎖的線程是否活著，如果線程不處于活動狀態(tài)，則將對象頭設(shè)置成無鎖狀態(tài)，如果線程仍然活著，擁有偏向鎖的棧會被執(zhí)行，遍歷偏向?qū)ο蟮逆i記錄，棧中的鎖記錄和對象頭的Mark Word，要么重新偏向于其他線程，要么恢復(fù)到無鎖或者標(biāo)記對象不適合作為偏向鎖，最后喚醒暫停的線程。

偏向鎖的設(shè)置

關(guān)閉偏向鎖：偏向鎖在Java 6和Java 7里是默認(rèn)啟用的，但是它在應(yīng)用程序啟動幾秒鐘之后才激活，如有必要可以使用JVM參數(shù)來關(guān)閉延遲-XX：BiasedLockingStartupDelay = 0。如果你確定自己應(yīng)用程序里所有的鎖通常情況下處于競爭狀態(tài)，可以通過JVM參數(shù)關(guān)閉偏向鎖-XX:-UseBiasedLocking=false，那么默認(rèn)會進(jìn)入輕量級鎖狀態(tài)。

自旋鎖

線程的阻塞和喚醒需要CPU從用戶態(tài)轉(zhuǎn)為核心態(tài)，頻繁的阻塞和喚醒對CPU來說是一件負(fù)擔(dān)很重的工作。同時我們可以發(fā)現(xiàn)，很多對象鎖的鎖定狀態(tài)只會持續(xù)很短的一段時間，例如整數(shù)的自加操作，在很短的時間內(nèi)阻塞并喚醒線程顯然不值得，為此引入了自旋鎖。

所謂“自旋”，就是讓線程去執(zhí)行一個無意義的循環(huán)，循環(huán)結(jié)束后再去重新競爭鎖，如果競爭不到繼續(xù)循環(huán)，循環(huán)過程中線程會一直處于running狀態(tài)，但是基于JVM的線程調(diào)度，會出讓時間片，所以其他線程依舊有申請鎖和釋放鎖的機(jī)會。

自旋鎖省去了阻塞鎖的時間空間（隊列的維護(hù)等）開銷，但是長時間自旋就變成了“忙式等待”，忙式等待顯然還不如阻塞鎖。所以自旋的次數(shù)一般控制在一個范圍內(nèi)，例如10,100等，在超出這個范圍后，自旋鎖會升級為阻塞鎖。

輕量級鎖

加鎖

線程在執(zhí)行同步塊之前，JVM會先在當(dāng)前線程的棧楨中創(chuàng)建用于存儲鎖記錄的空間，并將對象頭中的Mark Word復(fù)制到鎖記錄中，官方稱為Displaced Mark Word。然后線程嘗試使用CAS將對象頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針。如果成功，當(dāng)前線程獲得鎖，如果失敗，則自旋獲取鎖，當(dāng)自旋獲取鎖仍然失敗時，表示存在其他線程競爭鎖(兩條或兩條以上的線程競爭同一個鎖)，則輕量級鎖會膨脹成重量級鎖。

解鎖

輕量級解鎖時，會使用原子的CAS操作來將Displaced Mark Word替換回到對象頭，如果成功，則表示同步過程已完成。如果失敗，表示有其他線程嘗試過獲取該鎖，則要在釋放鎖的同時喚醒被掛起的線程。

重量級鎖

重量鎖在JVM中又叫對象監(jiān)視器（Monitor），它很像C中的Mutex，除了具備Mutex(0|1)互斥的功能，它還負(fù)責(zé)實現(xiàn)了Semaphore(信號量)的功能，也就是說它至少包含一個競爭鎖的隊列，和一個信號阻塞隊列（wait隊列），前者負(fù)責(zé)做互斥，后一個用于做線程同步。

鎖的優(yōu)缺點對比

可重入鎖

本文里面講的是廣義上的可重入鎖，而不是單指JAVA下的ReentrantLock。

可重入鎖，也叫做遞歸鎖，指的是同一線程 外層函數(shù)獲得鎖之后 ，內(nèi)層遞歸函數(shù)仍然有獲取該鎖的代碼，但不受影響。
在JAVA環(huán)境下 ReentrantLock 和synchronized 都是 可重入鎖。

public class Test implements Runnable{
 public synchronized void get(){
   System.out.println(Thread.currentThread().getId());
   set();
 }
 public synchronized void set(){
   System.out.println(Thread.currentThread().getId());
 }
 @Override
 public void run() {
   get();
 }
 public static void main(String[] args) {
   Test ss=new Test();
   new Thread(ss).start();
   new Thread(ss).start();
   new Thread(ss).start();
 }
}

結(jié)果如下，是正確的，即同一個線程id被連續(xù)輸出兩次。

Threadid: 8

Threadid: 8

Threadid: 10

Threadid: 10

Threadid: 9

Threadid: 9

可重入鎖最大的作用是避免死鎖。

我們以自旋鎖作為例子。（注：自旋鎖，就是拿不到鎖的情況會不停自旋循環(huán)檢測來等待，不進(jìn)入內(nèi)核態(tài)沉睡，而是在用戶態(tài)自旋嘗試）

public class SpinLock {
 private AtomicReference<Thread> owner =new AtomicReference<>();
 public void lock(){
   Thread current = Thread.currentThread();
   while(!owner.compareAndSet(null, current)){
   }
 }

 public void unlock (){
   Thread current = Thread.currentThread();
   owner.compareAndSet(current, null);
 }
}

上面是自旋鎖的一種實現(xiàn)。

對于自旋鎖來說：

1、若有同一線程兩調(diào)用lock() ，會導(dǎo)致第二次調(diào)用lock位置進(jìn)行自旋，產(chǎn)生了死鎖
說明這個鎖并不是可重入的。（在lock函數(shù)內(nèi)，應(yīng)驗證線程是否為已經(jīng)獲得鎖的線程）
2、若1問題已經(jīng)解決，當(dāng)unlock（）第一次調(diào)用時，就已經(jīng)將鎖釋放了。實際上不應(yīng)釋放鎖。
（采用計數(shù)次進(jìn)行統(tǒng)計）

修改之后，如下：

public class SpinLock1 {
 private AtomicReference<Thread> owner =new AtomicReference<>();
 private int count =0;
 public void lock(){
   Thread current = Thread.currentThread();
   if(current==owner.get()) {
     count++;
     return ;
   }
   while(!owner.compareAndSet(null, current)){
   }
 }

 public void unlock (){
   Thread current = Thread.currentThread();
   if(current==owner.get()){
     if(count!=0){
       count--;
     }else{
       owner.compareAndSet(current, null);
     }
   }
 }
}

這種方式實現(xiàn)的自旋鎖即為可重入鎖。

另，看一下mutex的情況：

Mutex可以分為遞歸鎖(recursive mutex)和非遞歸鎖(non-recursive mutex)?？蛇f歸鎖也可稱為可重入鎖(reentrant mutex)，
非遞歸鎖又叫不可重入鎖(non-reentrant mutex)。

二者唯一的區(qū)別是，同一個線程可以多次獲取同一個遞歸鎖，不會產(chǎn)生死鎖。而如果一個線程多次獲取同一個非遞歸鎖，則會產(chǎn)生死鎖。

Windows下的Mutex和Critical Section是可遞歸的。

Linux下的pthread_mutex_t鎖默認(rèn)是非遞歸的?？梢燥@示的設(shè)置PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE屬性，將pthread_mutex_t設(shè)為遞歸鎖。

公平鎖

公平和非公平鎖的隊列都基于鎖內(nèi)部維護(hù)的一個雙向鏈表，表結(jié)點Node的值就是每一個請求當(dāng)前鎖的線程。公平鎖則在于每次都是依次從隊首取值。

鎖的實現(xiàn)方式是基于如下幾點： 

表結(jié)點Node和狀態(tài)state的volatile關(guān)鍵字。

sum.misc.Unsafe.compareAndSet的原子操作(見附錄)。

非公平鎖

在等待鎖的過程中， 如果有任意新的線程妄圖獲取鎖，都是有很大的幾率直接獲取到鎖的。

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