鎖實(shí)現(xiàn)的基本原理

01 為什么要用鎖？

鎖-是為了解決并發(fā)操作引起的臟讀、數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題。

02 鎖實(shí)現(xiàn)的基本原理

2.1、volatile

Java編程語(yǔ)言允許線程訪問(wèn)共享變量， 為了確保共享變量能被準(zhǔn)確和一致地更新，線程應(yīng)該確保通過(guò)排他鎖單獨(dú)獲得這個(gè)變量。Java語(yǔ)言提供了volatile，在某些情況下比鎖要更加方便。

volatile在多處理器開(kāi)發(fā)中保證了共享變量的“ 可見(jiàn)性”?？梢?jiàn)性的意思是當(dāng)一個(gè)線程修改一個(gè)共享變量時(shí)，另外一個(gè)線程能讀到這個(gè)修改的值。

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結(jié)論：如果volatile變量修飾符使用恰當(dāng)?shù)脑挘萻ynchronized的使用和執(zhí)行成本更低，因?yàn)樗粫?huì)引起線程上下文的切換和調(diào)度。

2.2、synchronized

synchronized通過(guò)鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn)同步。

先來(lái)看下利用synchronized實(shí)現(xiàn)同步的基礎(chǔ)：Java中的每一個(gè)對(duì)象都可以作為鎖。

具體表現(xiàn)為以下3種形式。

對(duì)于普通同步方法，鎖是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象。

對(duì)于靜態(tài)同步方法，鎖是當(dāng)前類的Class對(duì)象。

對(duì)于同步方法塊，鎖是Synchonized括號(hào)里配置的對(duì)象。

當(dāng)一個(gè)線程試圖訪問(wèn)同步代碼塊時(shí)，它首先必須得到鎖，退出或拋出異常時(shí)必須釋放鎖。

2.2.1 synchronized實(shí)現(xiàn)原理

synchronized是基于Monitor來(lái)實(shí)現(xiàn)同步的。

Monitor從兩個(gè)方面來(lái)支持線程之間的同步：

互斥執(zhí)行

協(xié)作

1、Java 使用對(duì)象鎖 ( 使用 synchronized 獲得對(duì)象鎖 ) 保證工作在共享的數(shù)據(jù)集上的線程互斥執(zhí)行。

2、使用 notify/notifyAll/wait 方法來(lái)協(xié)同不同線程之間的工作。

3、Class和Object都關(guān)聯(lián)了一個(gè)Monitor。

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Monitor 的工作機(jī)理

線程進(jìn)入同步方法中。

為了繼續(xù)執(zhí)行臨界區(qū)代碼，線程必須獲取 Monitor 鎖。如果獲取鎖成功，將成為該監(jiān)視者對(duì)象的擁有者。任一時(shí)刻內(nèi)，監(jiān)視者對(duì)象只屬于一個(gè)活動(dòng)線程（The Owner）

擁有監(jiān)視者對(duì)象的線程可以調(diào)用 wait() 進(jìn)入等待集合（Wait Set），同時(shí)釋放監(jiān)視鎖，進(jìn)入等待狀態(tài)。

其他線程調(diào)用 notify() / notifyAll() 接口喚醒等待集合中的線程，這些等待的線程需要重新獲取監(jiān)視鎖后才能執(zhí)行 wait() 之后的代碼。

同步方法執(zhí)行完畢了，線程退出臨界區(qū)，并釋放監(jiān)視鎖。

參考文檔：https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-synchronized

2.2.2 synchronized具體實(shí)現(xiàn)

1、同步代碼塊采用monitorenter、monitorexit指令顯式的實(shí)現(xiàn)。

2、同步方法則使用ACC_SYNCHRONIZED標(biāo)記符隱式的實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)實(shí)例來(lái)看看具體實(shí)現(xiàn)：

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javap編譯后的字節(jié)碼如下：

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monitorenter

每一個(gè)對(duì)象都有一個(gè)monitor，一個(gè)monitor只能被一個(gè)線程擁有。當(dāng)一個(gè)線程執(zhí)行到monitorenter指令時(shí)會(huì)嘗試獲取相應(yīng)對(duì)象的monitor，獲取規(guī)則如下：

如果monitor的進(jìn)入數(shù)為0，則該線程可以進(jìn)入monitor，并將monitor進(jìn)入數(shù)設(shè)置為1，該線程即為monitor的擁有者。

如果當(dāng)前線程已經(jīng)擁有該monitor，只是重新進(jìn)入，則進(jìn)入monitor的進(jìn)入數(shù)加1，所以synchronized關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)的鎖是可重入的鎖。

如果monitor已被其他線程擁有，則當(dāng)前線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到monitor的進(jìn)入數(shù)為0，再重新嘗試獲取monitor。

monitorexit

只有擁有相應(yīng)對(duì)象的monitor的線程才能執(zhí)行monitorexit指令。每執(zhí)行一次該指令monitor進(jìn)入數(shù)減1，當(dāng)進(jìn)入數(shù)為0時(shí)當(dāng)前線程釋放monitor，此時(shí)其他阻塞的線程將可以嘗試獲取該monitor。

2.2.3 鎖存放的位置

鎖標(biāo)記存放在Java對(duì)象頭的Mark Word中。

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Java對(duì)象頭長(zhǎng)度

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32位JVM Mark Word 結(jié)構(gòu)

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32位JVM Mark Word 狀態(tài)變化

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64位JVM Mark Word 結(jié)構(gòu)

2.2.3 synchronized的鎖優(yōu)化

JavaSE1.6為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來(lái)的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級(jí)鎖”。

在JavaSE1.6中，鎖一共有4種狀態(tài)，級(jí)別從低到高依次是：無(wú)鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級(jí)鎖狀態(tài)和重量級(jí)鎖狀態(tài)，這幾個(gè)狀態(tài)會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)情況逐漸升級(jí)。

鎖可以升級(jí)但不能降級(jí)，意味著偏向鎖升級(jí)成輕量級(jí)鎖后不能降級(jí)成偏向鎖。這種鎖升級(jí)卻不能降級(jí)的策略，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。

偏向鎖：

無(wú)鎖競(jìng)爭(zhēng)的情況下為了減少鎖競(jìng)爭(zhēng)的資源開(kāi)銷，引入偏向鎖。

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輕量級(jí)鎖：

輕量級(jí)鎖所適應(yīng)的場(chǎng)景是線程交替執(zhí)行同步塊的情況。

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鎖粗化 （Lock Coarsening）：也就是減少不必要的緊連在一起的unlock，lock操作，將多個(gè)連續(xù)的鎖擴(kuò)展成一個(gè)范圍更大的鎖。

鎖消除 （Lock Elimination）：鎖削除是指虛擬機(jī)即時(shí)編譯器在運(yùn)行時(shí)，對(duì)一些代碼上要求同步，但是被檢測(cè)到不可能存在共享數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的鎖進(jìn)行削除。

適應(yīng)性自旋 （Adaptive Spinning）：自適應(yīng)意味著自旋的時(shí)間不再固定了，而是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來(lái)決定。如果在同一個(gè)鎖對(duì)象上，自旋等待剛剛成功獲得過(guò)鎖，并且持有鎖的線程正在運(yùn)行中，那么虛擬機(jī)就會(huì)認(rèn)為這次自旋也很有可能再次成功，進(jìn)而它將允許自旋等待持續(xù)相對(duì)更長(zhǎng)的時(shí)間，比如100個(gè)循環(huán)。另一方面，如果對(duì)于某個(gè)鎖，自旋很少成功獲得過(guò)，那在以后要獲取這個(gè)鎖時(shí)將可能省略掉自旋過(guò)程，以避免浪費(fèi)處理器資源。

2.2.4 鎖的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

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2.3、CAS

CAS，在Java并發(fā)應(yīng)用中通常指CompareAndSwap或CompareAndSet，即比較并交換。

1、CAS是一個(gè)原子操作，它比較一個(gè)內(nèi)存位置的值并且只有相等時(shí)修改這個(gè)內(nèi)存位置的值為新的值，保證了新的值總是基于最新的信息計(jì)算的，如果有其他線程在這期間修改了這個(gè)值則CAS失敗。CAS返回是否成功或者內(nèi)存位置原來(lái)的值用于判斷是否CAS成功。

2、JVM中的CAS操作是利用了處理器提供的CMPXCHG指令實(shí)現(xiàn)的。

優(yōu)點(diǎn)：

競(jìng)爭(zhēng)不大的時(shí)候系統(tǒng)開(kāi)銷小。

缺點(diǎn)：

循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開(kāi)銷大。

ABA問(wèn)題。

只能保證一個(gè)共享變量的原子操作。

03 Java中的鎖實(shí)現(xiàn)

3.1、隊(duì)列同步器（AQS）

隊(duì)列同步器AbstractQueuedSynchronizer（以下簡(jiǎn)稱同步器），是用來(lái)構(gòu)建鎖或者其他同步組件的基礎(chǔ)框架。

3.1.1、它使用了一個(gè)int成員變量表示同步狀態(tài)。

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3.1.2、通過(guò)內(nèi)置的FIFO雙向隊(duì)列來(lái)完成獲取鎖線程的排隊(duì)工作。

同步器包含兩個(gè)節(jié)點(diǎn)類型的應(yīng)用，一個(gè)指向頭節(jié)點(diǎn)，一個(gè)指向尾節(jié)點(diǎn)，未獲取到鎖的線程會(huì)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)線程安全（compareAndSetTail）的加入隊(duì)列尾部。同步隊(duì)列遵循FIFO，首節(jié)點(diǎn)是獲取同步狀態(tài)成功的節(jié)點(diǎn)。

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未獲取到鎖的線程將創(chuàng)建一個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)置到尾節(jié)點(diǎn)。如下圖所示：

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首節(jié)點(diǎn)的線程在釋放鎖時(shí)，將會(huì)喚醒后繼節(jié)點(diǎn)。而后繼節(jié)點(diǎn)將會(huì)在獲取鎖成功時(shí)將自己設(shè)置為首節(jié)點(diǎn)。如下圖所示：

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3.1.3、獨(dú)占式/共享式鎖獲取

獨(dú)占式：有且只有一個(gè)線程能獲取到鎖，如：ReentrantLock；

共享式：可以多個(gè)線程同時(shí)獲取到鎖，如：CountDownLatch；

獨(dú)占式

每個(gè)節(jié)點(diǎn)自旋觀察自己的前一節(jié)點(diǎn)是不是Header節(jié)點(diǎn)，如果是，就去嘗試獲取鎖。

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獨(dú)占式鎖獲取流程：

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共享式：

共享式與獨(dú)占式的區(qū)別：

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共享鎖獲取流程：

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