Java锁机制（笔记）

什么是锁？

在并发环境中，多个线程争抢同一个公共资源，可能会导致数据不一致的问题，所以引入了锁机制。通过一种抽象的锁对资源进行锁定。

Java内存结构

在Java中每个对象都拥有一把锁，存放在对象头中，锁中记录着当前对象被那个线程占用
对象的结构包括对象头（运行时信息包括Mark Word（当前对象运行时状态有关的数据）和Class Pointer（指向当前对象类型所在方法区中的类型数据）），实例数据（初始化时设置的属性和状态），填充字节（满足Java对象的大小必须是8比特的倍数）

Mark Word非常小，只有32bit。并且是非结构化的，在不同的锁标志位下，不同的的字段可以重用不同的比特位

synchronized关键字

synchronized通过javac编译之后会形成monitorenter和mointorexit两个字节码指令，来使线程同步

monitor

但是monitor是依赖于操作系统的mutex lock。Java线程实际上是对操作系统线程的映射
，每次操作线程，都要切换操作系统的内核态，这种操作时比较重量级的，会对程序性能有严重的损害。

synchronized优化

从Java6开始，引入了偏向锁，轻量级锁。所以锁一共有四种状态，无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁。（锁只能升级不能降级）

无锁

没有对资源进行锁定

无锁分为两种情况
1、资源不存在竞争
2、资源存在竞争，但是我们不想对资源进行锁定，但是想通过一些机制来控制多线程（例如CAS（compare and swap））

多个线程修改同一个值，只有一个线程可以成功，其他失败的线程会不断重试。

CAS在操作系统中通过一条指令来实现，所以保证了原子性

偏向锁

假如我们给一个对象加锁，但在实际运行时只会有一个线程会获取这个对象锁，最理想的情况就是不通过线程状态的切换和CAS来获得锁。最好就是这个对象认识线程，只要是这个线程就直接把锁交出去，我们认为这个对象偏爱于这个线程，所以称为偏向锁。

实现原理：

当Mark Word中的所标志为01时，查看倒数第三个bit是否是1，如果是1则当前锁状态为偏向锁，然后在查看前23bit（线程ID）来确认是当前想要获得锁的线程是否是老顾客。
如果情况发生了变化，目前不止一个线程在竞争锁，偏向锁就会升级为轻量级锁。

轻量级锁

那么当偏向锁升级为轻量级锁时，又该判断锁和线程的绑定关系呢？
当升级为轻量级锁时，前30个bit就会变成指向栈中锁记录的指针。
当线程想要获得某个对象的锁时，加入看到锁标志位为00时，就知道这个轻量级锁。线程会在自己的虚拟机栈（线程私有）中开辟一块被称为Lock Record的空间。其中存放着对象头中的Mark Word的副本和owner指针。线程通过CAS去获取锁，一旦获得就会复制该对象头中的Mark Word到Lock Record中，并将Lock Record中的owner指针指向该对象，对象中的前30个bit会生产一个指针，指向Lock Record。这时对象就被锁定了，获取了锁的线程则可以进行操作。
如何之后又其他线程想要获得这个对象，那么其他线程就会自旋（线程不断循环去查看对象的锁是否被释放）（CPU空转，长时间的空转会浪费大量资源）等待。
如果对象的锁很快就被释放，自旋不需要系统中断和现场恢复，提高效率。

重量级锁

如果等待自旋的线程超过1个，那么轻量级锁就会升级为重量级锁。那么就会通过monitor来进行控制。