一、同步機(jī)制

保證共享資源的讀寫安全，需要一種同步機(jī)制：用于解決 2 方面問題：

• 線程間通信：線程間交換信息的機(jī)制
• 線程間同步：控制不同線程之間操作發(fā)生相對(duì)順序的機(jī)制

二、同步機(jī)制-管程

2.1 認(rèn)識(shí)管程

同步機(jī)制中有經(jīng)典的管程方案，關(guān)于管程在在中國大學(xué) mooc 中搜索 管程 有些大學(xué)的操作系統(tǒng)課程會(huì)講解管程。管程其實(shí)就是對(duì)共享變量以及其操作的封裝：

1. 將共享資源封裝起來，對(duì)外提供操作這些共享資源的方法。
2. 線程只能通過調(diào)用管程中的方法來間接地訪問管程中的共享資源

2.2 管程如何解決同步和通信問題

1）同步問題

• 管程是互斥進(jìn)入，提供了入口等待隊(duì)列，用于存儲(chǔ)等待進(jìn)入同步代碼塊的線程
• 管程的互斥進(jìn)入是由編譯器負(fù)責(zé)保證的，
  
  通常的做法是用一個(gè)互斥量或二元信號(hào)量

2）通信問題，管程中設(shè)置條件變量，提供等待/喚醒操作

• 條件變量 ：java 里理解為鎖對(duì)象自身
• 等待操作 ：等待條件變量時(shí)，將線程存儲(chǔ)到條件變量的等待隊(duì)列中，此時(shí)，應(yīng)先釋放管程的使用權(quán)，不然其它線程拿不到使用權(quán)
• 喚醒操作 ：通過發(fā)送信號(hào)將等待隊(duì)列中的線程喚醒

2.3 關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和方法

1）等待隊(duì)列

• 入口等待隊(duì)列：存儲(chǔ)等待進(jìn)入同步代碼塊的線程；線程進(jìn)入管程后，可以執(zhí)行同步塊代碼。在 java 中是 _EntryList
• 條件等待隊(duì)列：入口等待隊(duì)列中的線程，進(jìn)入管程后，執(zhí)行同步塊代碼的過程中，需要等待某個(gè)條件滿足之后，才能繼續(xù)執(zhí)行，就將線程放入此變量的等待隊(duì)列中。MESA管程中是多個(gè)條件等待隊(duì)列，java 是面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)，這里的條件變量即鎖對(duì)象自身（線程都在等待擁有這個(gè)鎖），所以只有一個(gè)條件變量等待隊(duì)列即_WaitSet 。

2）同步方法

• wait() ：等待條件變量，將當(dāng)前線程放入條件變量的等待隊(duì)列中
• notify()：激活某個(gè)條件變量上等待隊(duì)列中的一個(gè)線程
• notifyAll()：激活某個(gè)條件變量上等待隊(duì)列中的所有線程

三、Java 版的管程 synchronized

synchronized 是語法糖，會(huì)被編譯器編譯成：1 個(gè) monitorenter 和 2 個(gè) moitorexit（一個(gè)用于正常退出，一個(gè)用于異常退出）。monitorenter 和 正常退出的 monitorexit 中間是 synchronized 包裹的代碼，如下圖：

image.png

在 HotSpot 虛擬機(jī)中，monitor 是由 ObjectMonitor 實(shí)現(xiàn)的，ObjectMonitor 主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

• _count：記錄 owner 線程獲取鎖的次數(shù)，即重入次數(shù)，也即是可重入的。
• _owner：指向擁有該對(duì)象的線程
• _EntryList：管程的入口等待隊(duì)列，即存放等待鎖而被 block 的線程。
• _WaitSet：管程的條件變量等待隊(duì)列，存放的是擁有鎖后又調(diào)用了 wait()方法的線程；

進(jìn)入 _EntryList 的線程需要與其他線程爭搶鎖，搶到鎖之后以排它方式執(zhí)行同步代碼塊的代碼，當(dāng)其再調(diào)用wait()方法后進(jìn)入_WaitSet，當(dāng)_WaitSet里的線程被 notify()/notifyAll() 后，將從 _WaitSet 中移動(dòng)到 _EntryList 中。

四、使用鎖

4.1 對(duì)實(shí)例對(duì)象加鎖

• 同步實(shí)例方法

public synchronized void fun(){
}

• 同步代碼塊 參數(shù)是實(shí)例

public void fun(){
    synchronized(this){
        ...
    }
}

4.2 對(duì)類加鎖

• 同步靜態(tài)方法

class Aclass{
    static synchronized void fun(){
    }
}

• 同步代碼塊 參數(shù)是類

class Aclass{
    static void fun(){
        synchronized (Aclass.class){
        }
    }
}

4.3 對(duì)象的內(nèi)存結(jié)構(gòu)

HotSpot 虛擬機(jī)中，對(duì)象在內(nèi)存中存儲(chǔ)的布局可以分為三塊區(qū)域:對(duì)象頭 (Header)、實(shí)例數(shù)據(jù)(Instance Data)和對(duì)齊填充(Padding)。

其中對(duì)象頭中的 Mark Word 區(qū)域中會(huì)存儲(chǔ) 對(duì)象鎖，鎖狀態(tài)標(biāo)志，偏向 鎖(線程)ID，偏向時(shí)間，數(shù)組長度(數(shù)組對(duì)象)等，Mark Word 被設(shè)計(jì)成一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以便在極小的空間內(nèi) 存存儲(chǔ)盡量多的數(shù)據(jù)，它會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間，也就是說， Mark Word 會(huì)隨著程序的運(yùn)行發(fā)生變化，32 位虛擬機(jī)中變化狀態(tài)如下：

五、鎖的變化

鎖的性能開銷的變化：無鎖——>偏向鎖——>輕量級(jí)鎖——>重量級(jí)鎖，并且膨脹方向不可逆。

偏向鎖：線程獲取鎖后，鎖對(duì)象的 Mark Word 標(biāo)記偏向鎖，通過一個(gè)字段記錄當(dāng)前線程 id，邏輯如下：

1. 本線程再次爭取鎖時(shí)：檢查到這個(gè)線程 ID 跟自己一樣就重入
2. 不同的線程爭取鎖：鎖對(duì)象中的線程 ID 不是自己，且有偏向鎖標(biāo)識(shí)，則發(fā)起偏向鎖取消操作，
   
   偏向鎖的撤銷需要等待全局安全點(diǎn)

• 若偏向鎖取消成功，且之后當(dāng)前線程又通過 CAS 操作爭取到了鎖，則繼續(xù)保持偏向鎖狀態(tài)
• 若經(jīng)過一次 CAS 操作未爭取到鎖，意味著還有其他的線程也在競爭這個(gè)鎖，此時(shí)就進(jìn)行鎖升級(jí)，升級(jí)為輕量級(jí)鎖

3. 輕量級(jí)鎖是自適應(yīng)自旋鎖

• 自旋獲取鎖成功，是保持輕量級(jí)鎖狀態(tài)嗎？？
• 自旋獲取鎖失敗 ，則進(jìn)入重量級(jí)鎖

5.1 成本的差異

不同的鎖性能成本不同：

1）重量級(jí)鎖：線程在用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)之間切換成本高

鎖不能降級(jí)，鎖變成重量級(jí)鎖之后，就一直要作為重量級(jí)鎖使用嗎？那還怎么自適應(yīng)自旋？？

Java 鎖優(yōu)化--JVM 鎖降級(jí)里說道：鎖降級(jí)確實(shí) 是會(huì)發(fā)生的，當(dāng) JVM 進(jìn)入安全點(diǎn)（SafePoint）的時(shí)候，會(huì)檢查是否有閑置的 Monitor，然后試圖進(jìn)行降級(jí)。

2）其他的鎖都是為了更小的開銷

• 偏向鎖：一次 CAS 操作，修改一下鎖中的字段，就被標(biāo)識(shí)為拿得到了鎖
• 輕量鎖：一次 CAS 操作拿不到鎖，那就自旋空轉(zhuǎn)多次 CAS 操作，會(huì)稍稍費(fèi)一點(diǎn) CPU，但是能更快的拿到鎖；自適應(yīng)自旋后，還拿不到鎖，那就只能使用重量級(jí)鎖了。
• 自旋鎖：許多情況下，共享數(shù)據(jù)的鎖定狀態(tài)持續(xù)時(shí)間較短，切換線程不值得，通過讓線程執(zhí)行循環(huán)等待鎖的釋放，不讓出 CPU。如果得到鎖，就順利進(jìn)入臨界區(qū)。如果還不能獲得鎖，那就會(huì)將線程在操作系統(tǒng)層面掛起，這就是自旋鎖的優(yōu)化方式。但是它也存在缺點(diǎn)：如果鎖被其他線程長時(shí)間占用，一直不釋放 CPU，會(huì)帶來許多的性能開銷。
• 自適應(yīng)自旋鎖：這種相當(dāng)于是對(duì)上面自旋鎖優(yōu)化方式的進(jìn)一步優(yōu)化，它的自旋的次數(shù)不再固定，其自旋的次數(shù)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)來決定，這就解決了自旋鎖帶來的缺點(diǎn)。

5.2 鎖消除

消除鎖是虛擬機(jī)另外一種鎖的優(yōu)化，這種優(yōu)化更徹底，在 JIT 編譯時(shí)，對(duì)運(yùn)行上下文進(jìn)行掃描，做逃逸分析，去除不可能存在競爭的鎖（去掉了申請(qǐng)和釋放鎖的代碼了）。比如下面代碼的 method1 和 method2 的執(zhí)行效率是一樣的，因?yàn)?object 鎖是私有變量，不存在所得競爭關(guān)系。

鎖消除示例(來自網(wǎng)絡(luò)).png

5.3 鎖粗化

鎖粗化是虛擬機(jī)對(duì)另一種極端情況的優(yōu)化處理，通過擴(kuò)大鎖的范圍，避免反復(fù)獲取鎖和釋放鎖。比如下面 method3 經(jīng)過鎖粗化優(yōu)化之后就和 method4 執(zhí)行效率一樣了。

鎖粗化示例(來自網(wǎng)絡(luò)).png

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