【并发编程学习篇】synchronized的原理

一、Synchronized 原理是什么

1. 在jdk1.6之前synchronized重量级锁，基于Monitor（管程是指管理共享变量以及对共享变量操作的过程，让它们支持并发）机制实现，依赖底层操作系统的Mutex Lock互斥锁实现的

2. 由于权限隔离的关系，应用程序去调用系统方法的时候需要切换到内核状态去执行，这样就涉及到了用户态到内核态的切换，这个切换对性能有较大的影响

3. 所以在jdk1.6之后呢，synchronized增加了锁升级的机制来平衡数据安全性和性能。synchronized会根据线程竞争的情况，先去尝试在不加重量级锁的情况下去保证线程的安全性，所以引入了偏向锁和轻量级锁的机制

Synchronized 是由 JVM 实现的一种实现互斥同步的一种方式，如果你查看被 Synchronized 修饰过的程序块编译后的字节码，会发现，被 Synchronized 修饰过的程序块，在编译前后被编译器生成了 monitorenter 和 monitorexit 两个字节码指令。

这两个指令是什么意思呢？

1. 在虚拟机执行到 monitorenter 指令时，首先要尝试获取对象的锁： 如果这个对象没有锁定，或者当前线程已经拥有了这个对象的锁，把锁的计数器 +1；当执行 monitorexit 指令时将锁计数器 -1；
2. 当计数器为 0 时，锁就被释放了。 如果获取对象失败了，那当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另外一个线程释放为止。

锁的状态是如何记录的？

在 对象头 的 Mark Work 有 2bit 来记录锁的状态标位，由于无锁和偏向锁的锁标识都是 01，没办法区分，这里引入 1bit 的偏向锁标识位来记录是否偏向锁

二、偏向锁原理，为什么引入偏向锁

1. 大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，如果每次都要竞争锁会增大很多没有必要付出的代价，为了降低获取锁的代价，才引入的偏向锁。
2. 对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果。

2.1 偏向锁如何获取的？

1. 在偏向锁状态的时候，对象头的 Mark Word 中记录了当前偏向的 Thread Id
2. 首先会先获取 Mark Word 中记录的偏向的Thread Id，判断当前对象是否处于可偏向状态(即当前没有对象获得偏向锁)。
3. 如果是可偏向状态，则通过 CAS 操作，把当前线程的ID，写入到 Mark Word 如果成功，表示获得偏向锁成功
4. 如果CAS失败则说明当前有其他线程获得了偏向锁，这时候就需要将已获得偏向锁的线程执行 偏向锁撤销，并升级为轻量级锁
5. 偏向锁的撤销需要修改 Mark Word 中的锁状态标志位为无锁，并且需要等待全局安全点，即在这个时间点上没有正在执行的字节码（有性能问题）。

当多个线程争夺一个资源时，JVM 会尝试用偏向锁来提高效率。偏向锁的原理是：当一个线程获得锁时，它将会“偏向”到该线程，并在后续竞争时，会优先分配给这个线程，从而避免线程竞争，但如果某个线程竞争竞争到了锁，而该线程未被偏向，则 JVM 会撤销该锁，并重新分配锁，这会导致性能下降。

三、轻量级锁的获取锁过程

1. 首先会判断当前是否为无锁状态，也就是Mark Work中是否偏向的标志位为0

2. 如果是的话开始加锁操作，加锁的的过程首先是将Mark Word 拷贝一份到线程栈，紧接着利用CAS操作尝试更新Mark Word 中指向栈中锁记录的指针的指向

3. 如果更新成功，则表示成功获取锁，否则直接开始执行锁膨胀（这里轻量级锁没有自旋的操作）

四、重量级锁获取锁的过程

1. 在重量级的获取的时候会使用 CAS自旋 的方式获取锁，直到自旋到一定的次数以后开始执行入队操作（_crq队列），入队成功后也会再次尝试是否能够获取锁
2. 如果获取失败，才真正的将线程 挂起，这个反复的CAS自旋的方式去尝试获取锁是为了尽可能的减少 用户态 到 内核态 的操作

五、锁粗化

1. 假设一系列的连续操作都会对同一个对象反复加锁及解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，即使没有出现线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。
2. 如果JVM检测到有一连串零碎的操作都是对同一对象的加锁，将会 扩大加锁同步的范围（即锁粗化）到整个操作序列的外部。

StringBuffer buffer = new StringBuffer();
/**
 * 锁粗化
 */
public void append(){
    buffer.append("aaa").append(" bbb").append(" ccc");
}

1. 上述代码每次调用 buffer.append 方法都需要加锁和解锁，如果JVM检测到有一连串的对同一个对象加锁和解锁的操作，就会将其合并成一次范围更大的加锁和解锁操作
2. 即在第一次append方法时进行加锁，最后一次append方法结束后进行解锁

六、锁消除

锁消除即删除不必要的加锁操作。锁消除是Java虚拟机在JIT编译期间，通过 逃逸分析，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过锁消除，可以节省毫无意义的请求锁时间。

逃逸分析(Escape Analysis）

1. 逃逸分析，是一种可以有效减少Java 程序中同步负载和内存堆分配压力的跨函数全局数据流分析算法。
2. 通过逃逸分析，Java Hotspot编译器能够分析出一个新的 对象的引用的使用范围 从而决定是否要将这个对象分配到堆上。逃逸分析的基本行为就是分析对象动态 作用域。

方法逃逸(对象逃出当前方法)

当一个对象在方法中被定义后，它可能被外部方法所引用，例如作为调用参数传递到其他地方中。

线程逃逸((对象逃出当前线程)

这个对象甚至可能被其它线程访问到，例如赋值给类变量或可以在其它线程中访问的实例变量。

使用逃逸分析，编译器可以对代码做如下优化：

1. 锁粗化或锁消除：如果一个对象被发现只能从一个线程被访问到，那么对于这个对象的操作可以不考虑同步。

2. 将堆分配转化为栈分配：如果一个对象在子程序中被分配，要使指向该对象的指针永远不会逃逸，对象可能是栈分配的候选，而不是堆分配。

3. 分离对象或标量替换：有的对象可能不需要作为一个连续的内存结构存在也可以被访问到，那么对象的部分（或全部）可以不存储在内存，而是存储在CPU寄存器中。

jdk6才开始引入该技术，jdk7开始默认开启逃逸分析。在Java代码运行时，可以通过JVM参数指定是否开启逃逸分析：

-XX:+DoEscapeAnalysis  //表示开启逃逸分析 (jdk1.8默认开启）
-XX:-DoEscapeAnalysis //表示关闭逃逸分析。 
-XX:+EliminateAllocations //开启标量替换(默认打开)