【JUC】并发编程 Synchronized 锁升级原理

Synchronized如何实现同步/互斥的效果？

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monitorenter：将锁对象对象头中Mark Word的前30bit替换成指向操作系统中与其关联的monitor对象，将锁记录位状态改为10
monitorexit：将锁对象对象头中Mark Word进行重置，重新恢复成原来的样子，并通过在EntryList中等待的线程来继续竞争！

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工作流程：

开始时 Monitor 中 Owner 为 null
当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-2，Monitor 中只能有一个 Owner，obj 对象的 Mark Word 指向 Monitor，把对象原有的 MarkWord 存入线程栈中的锁记录中（轻量级锁部分详解）
在 Thread-2 上锁的过程，Thread-3、Thread-4、Thread-5 也执行 synchronized(obj)，就会进入 EntryList BLOCKED（双向链表）
Thread-2 执行完同步代码块的内容，根据 obj 对象头中 Monitor 地址寻找，设置 Owner 为空，把线程栈的锁记录中的对象头的值设置回 MarkWord
唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争是非公平的，如果这时有新的线程想要获取锁，可能直接就抢占到了，阻塞队列的线程就会继续阻塞
WaitSet 中的 Thread-0，是以前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程（wait-notify 机制）

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注意：

synchronized 必须是进入同一个对象的 Monitor 才有上述的效果
不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

锁状态改变之后，hashcode分代年龄都去哪里了？

轻量级锁：原先MarkWord中这些信息都会被存储到 线程栈帧中的锁记录（存储锁对象的Mark Word拷贝）中。

重量级锁：当锁对象的Mark Word被重置之后，hashcode 分代年龄都会被存储到操作系统的monitor对象中，然后当monitorexit的时候会从monitor对象中取出此类信息，然后重置Mark Word

注意：
synchronized中代码抛出了异常在字节码层面会发现会将锁正确的释放。不会造成死锁等情况！即使出现了异常还是会正常的帮我们monitorexit！重置Mark Word和唤醒entryList中等待线程！

Synchronized锁升级原理

无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁 // 随着竞争的增加，只能锁升级，不能降级

无锁状态（001） ----> 偏向锁（101） --（偏向撤销）–> 轻量级锁（00） – （锁膨胀CAS失败说明有竞争情况） --> 重量级锁

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偏向锁

偏向锁的思想是偏向于让第一个获取锁对象的线程，这个线程之后重新获取该锁不再需要同步操作：

当锁对象第一次被线程获得的时候进入偏向状态，标记为 101，同时使用 CAS 操作将线程 ID 记录到 Mark Word。如果 CAS 操作成功，这个线程以后进入这个锁相关的同步块，查看这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，就不需要再进行任何同步操作
当有另外一个线程去尝试获取这个锁对象时，偏向状态就宣告结束，此时撤销偏向（Revoke Bias）后恢复到未锁定或轻量级锁状态

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一个对象创建时：

如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，MarkWord 值为 0x05 即最后 3 位为 101，thread、epoch、age 都为 0
偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，可以加 VM 参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟。JDK 8 延迟 4s 开启偏向锁原因：在刚开始执行代码时，会有好多线程来抢锁，如果开偏向锁效率反而降低
当一个对象已经计算过 hashCode，就再也无法进入偏向状态了
添加 VM 参数 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁

撤销偏向锁的状态：

调用对象的 hashCode：偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id，调用 hashCode 导致偏向锁被撤销
当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁
调用 wait/notify，需要申请 Monitor，进入 WaitSet

批量撤销：如果对象被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象的 Thread ID

批量重偏向：当撤销偏向锁阈值超过 20 次后，JVM 会觉得是不是偏向错了，于是在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程
批量撤销：当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，JVM 会觉得自己确实偏向错了，根本就不该偏向，于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的

轻量级锁

工作流程中是CAS操作尝试将对象头Mark Word的前30bit替换成指向获取到锁线程栈帧内部的Lock Record锁记录（用于存储锁对象MarkWord的拷贝）的指针！

获取成功则执行代码块，CAS失败虚拟机会检查当前锁记录中是否是当前线程的锁记录，如果是则出现锁重入现象，会在当前虚拟机栈中开辟新的栈帧中的锁记录，新的锁记录不会存储拷贝Mark Word而是用于作为重入的计数！如果不是说明有竞争的线程了，而轻量级锁的核心就是认为“多把锁场景下。不会存在竞争的情况。

当有两个及以上线程来获取对象锁的时候，这时候轻量级锁会进行膨胀升级为重量级锁，并且竞争的线程会被放入该锁对象对应的monitor对象的EntryList中处于阻塞等待状态！CAS操作尝试将锁对象的Mark Word恢复回去！！！

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一个对象有多个线程要加锁，但加锁的时间是错开的（没有竞争），可以使用轻量级锁来优化，轻量级锁对使用者是透明的（不可见）

可重入锁：线程可以进入任何一个它已经拥有的锁所同步着的代码块，可重入锁最大的作用是避免死锁

轻量级锁在没有竞争时（锁重入时），每次重入仍然需要执行 CAS 操作，Java 6 才引入的偏向锁来优化

锁重入实例：

static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步块 A
        method2();
    }
}
public static void method2() {
    synchronized( obj ) {
    	// 同步块 B
    }
}

创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构（不可见），存储锁定对象的 Mark Word

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让锁记录中 Object reference 指向锁住的对象，并尝试用 CAS 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录
如果 CAS 替换成功（原 object 是01 无锁），对象头中存储了锁记录地址和状态 00（轻量级锁），表示由该线程给对象加锁

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如果 CAS 失败，有两种情况：
- 如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程
- 如果是线程自己执行了 synchronized 锁重入，就添加一条 Lock Record 作为重入的计数

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当退出 synchronized 代码块（解锁时）
- 如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减 1
- 如果锁记录的值不为 null，这时使用 CAS 将 Mark Word 的值恢复给对象头
  - 成功，则解锁成功
  - 失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

锁膨胀

在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，可能是其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁

当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁
Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程：为 Object 对象申请 Monitor 锁，通过 Object 对象头获取到持锁线程，将 Monitor 的 Owner 置为 Thread-0，将 Object 的对象头指向重量级锁地址，然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED
当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 CAS 将 Mark Word 的值恢复给对象头失败，这时进入重量级解锁流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程

锁优化

自旋锁

重量级锁竞争时，尝试获取锁的线程不会立即阻塞，可以使用自旋（默认 10 次）来进行优化，采用循环的方式去尝试获取锁

注意：

自旋占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费时间，因为同一时刻只能运行一个线程，多核 CPU 自旋才能发挥优势
自旋失败的线程会进入阻塞状态

优点：不会进入阻塞状态，减少线程上下文切换的消耗

缺点：当自旋的线程越来越多时，会不断的消耗 CPU 资源

自旋锁说明：

在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，比较智能
Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能，由 JVM 控制

锁消除

锁消除是指对于被检测出不可能存在竞争的共享数据的锁进行消除，这是 JVM 即时编译器的优化

锁消除主要是通过逃逸分析来支持，如果堆上的共享数据不可能逃逸出去被其它线程访问到，那么就可以把它们当成私有数据对待，也就可以将它们的锁进行消除（同步消除：JVM 逃逸分析） -XX:-EliminateLocks

锁粗化

对相同对象多次加锁，导致线程发生多次重入，频繁的加锁操作就会导致性能损耗，可以使用锁粗化方式优化

如果虚拟机探测到一串的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部

一些看起来没有加锁的代码，其实隐式的加了很多锁：

public static String concatString(String s1, String s2, String s3) {
    return s1 + s2 + s3;
}

String 是一个不可变的类，编译器会对 String 的拼接自动优化。在 JDK 1.5 之前，转化为 StringBuffer 对象的连续 append() 操作，每个 append() 方法中都有一个同步块

public static String concatString(String s1, String s2, String s3) {
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(s1);
    sb.append(s2);
    sb.append(s3);
    return sb.toString();
}