一、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)不一致的問題。

二,、鎖實現(xiàn)的基本原理

2.1,、volatile

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

volatile在多處理器開發(fā)中保證了共享變量的“ 可見性”,。可見性的意思是當(dāng)一個線程修改一個共享變量時,，另外一個線程能讀到這個修改的值,。

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,，因為它不會引起線程上下文的切換和調(diào)度,。

2.2、synchronized

synchronized通過鎖機制實現(xiàn)同步,。

先來看下利用synchronized實現(xiàn)同步的基礎(chǔ)：Java中的每一個對象都可以作為鎖,。

具體表現(xiàn)為以下3種形式。

• 對于普通同步方法,，鎖是當(dāng)前實例對象,。

• 對于靜態(tài)同步方法，鎖是當(dāng)前類的Class對象,。

• 對于同步方法塊,，鎖是Synchonized括號里配置的對象。

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

2.2.1 synchronized實現(xiàn)原理

synchronized是基于Monitor來實現(xiàn)同步的,。

Monitor從兩個方面來支持線程之間的同步：

• 互斥執(zhí)行

• 協(xié)作

1,、Java 使用對象鎖 ( 使用 synchronized 獲得對象鎖 ) 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 方法來協(xié)同不同線程之間的工作,。

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

Monitor 的工作機理

• 線程進入同步方法中,。

• 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)視者對象的擁有者。任一時刻內(nèi),，監(jiān)視者對象只屬于一個活動線程（The Owner）

• 擁有監(jiān)視者對象的線程可以調(diào)用 wait() 進入等待集合（Wait Set）,，同時釋放監(jiān)視鎖,，進入等待狀態(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具體實現(xiàn)

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

2、同步方法則使用ACC_SYNCHRONIZED標記符隱式的實現(xiàn),。

通過實例來看看具體實現(xiàn)：

javap編譯后的字節(jié)碼如下：

monitorenter

每一個對象都有一個monitor,，一個monitor只能被一個線程擁有。當(dāng)一個線程執(zhí)行到monitorenter指令時會嘗試獲取相應(yīng)對象的monitor,，獲取規(guī)則如下：

• 如果monitor的進入數(shù)為0,，則該線程可以進入monitor，并將monitor進入數(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，只是重新進入,，則進入monitor的進入數(shù)加1,，所以synchronized關(guān)鍵字實現(xiàn)的鎖是可重入的鎖。

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

monitorexit

只有擁有相應(yīng)對象的monitor的線程才能執(zhí)行monitorexit指令,。每執(zhí)行一次該指令monitor進入數(shù)減1，當(dāng)進入數(shù)為0時當(dāng)前線程釋放monitor,，此時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

鎖標記存放在Java對象頭的Mark Word中。

Java對象頭長度

32位JVM Mark Word 結(jié)構(gòu)

32位JVM Mark Word 狀態(tài)變化

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的性能消耗,，引入了“偏向鎖”和“輕量級鎖”,。

在JavaSE1.6中，鎖一共有4種狀態(tài),，級別從低到高依次是：無鎖狀態(tài),、偏向鎖狀態(tài)、輕量級鎖狀態(tài)和重量級鎖狀態(tài)，這幾個狀態(tài)會隨著競爭情況逐漸升級,。

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

偏向鎖：

無鎖競爭的情況下為了減少鎖競爭的資源開銷，引入偏向鎖,。

輕量級鎖：

輕量級鎖所適應(yīng)的場景是線程交替執(zhí)行同步塊的情況。

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

鎖消除（Lock Elimination）：鎖削除是指虛擬機即時編譯器在運行時,，對一些代碼上要求同步,，但是被檢測到不可能存在共享數(shù)據(jù)競爭的鎖進行削除。

適應(yīng)性自旋（Adaptive Spinning）：自適應(yīng)意味著自旋的時間不再固定了,，而是由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定,。如果在同一個鎖對象上，自旋等待剛剛成功獲得過鎖,，并且持有鎖的線程正在運行中,，那么虛擬機就會認為這次自旋也很有可能再次成功，進而它將允許自旋等待持續(xù)相對更長的時間,，比如100個循環(huán),。另一方面，如果對于某個鎖,，自旋很少成功獲得過,，那在以后要獲取這個鎖時將可能省略掉自旋過程，以避免浪費處理器資源,。

2.2.4 鎖的優(yōu)缺點對比

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是一個原子操作,，它比較一個內(nèi)存位置的值并且只有相等時修改這個內(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算的，如果有其他線程在這期間修改了這個值則CAS失敗,。CAS返回是否成功或者內(nèi)存位置原來的值用于判斷是否CAS成功,。

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

優(yōu)點：

• 競爭不大的時候系統(tǒng)開銷小,。

缺點：

• 循環(huán)時間長開銷大,。

• ABA問題。

• 只能保證一個共享變量的原子操作,。

三,、Java中的鎖實現(xiàn)

3.1、隊列同步器（AQS）

隊列同步器AbstractQueuedSynchronizer（以下簡稱同步器）,，是用來構(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int成員變量表示同步狀態(tài),。

3.1.2,、通過內(nèi)置的FIFO雙向隊列來完成獲取鎖線程的排隊工作。

• 同步器包含兩個節(jié)點類型的應(yīng)用,，一個指向頭節(jié)點,，一個指向尾節(jié)點，未獲取到鎖的線程會創(chuàng)建節(jié)點線程安全（compareAndSetTail）的加入隊列尾部,。同步隊列遵循FIFO,，首節(jié)點是獲取同步狀態(tài)成功的節(jié)點。

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

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

3.1.3、獨占式/共享式鎖獲取

獨占式：有且只有一個線程能獲取到鎖,，如：ReentrantLock,；

共享式：可以多個線程同時獲取到鎖，如：CountDownLatch,；

獨占式

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

• 獨占式鎖獲取流程：

共享式：

• 共享式與獨占式的區(qū)別：

• 共享鎖獲取流程：

四,、鎖的使用用例

4.1、ConcurrentHashMap的實現(xiàn)原理及使用

ConcurrentHashMap類圖

ConcurrentHashMap數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

結(jié)論：ConcurrentHashMap使用的鎖分段技術(shù),。首先將數(shù)據(jù)分成一段一段地存儲,，然后給每一段數(shù)據(jù)配一把鎖，當(dāng)一個線程占用鎖訪問其中一個段數(shù)據(jù)的時候,，其他段的數(shù)據(jù)也能被其他線程訪問,。

作者：景小財

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