synchronized

用户态与内核态

JDK早期，synchronized 叫做重量级锁(用户态),因为申请锁资源必须通过kernel(内核态), 系统调用

CAS

Compare And Swap (Compare And Exchange) / 自旋 / 自旋锁 / 无锁 （无重量锁）

因为经常配合循环操作，直到完成为止，所以泛指一类操作

cas(v, a, b) ，变量v，期待值a, 修改值b

ABA问题，v解决办法（版本号 AtomicStampedReference），基础类型简单值不需要版本号

Unsafe

最终实现：

cmpxchg = cas修改变量值

assembly lock cmpxchg 指令

硬件：

lock指令在执行后面指令的时候锁定一个北桥信号

（不采用锁总线的方式）

markword 64位


工具：JOL = Java Object Layout

synchronized优化的过程和markword息息相关

用markword中最低的三位代表锁状态 其中1位是偏向锁位 两位是普通锁位

  1. Object o = new Object() 锁 = 0 01 无锁态 注意：如果偏向锁打开，默认是匿名偏向状态

  2. o.hashCode() 001 + hashcode

java 00000001 10101101 00110100 00110110 01011001 00000000 00000000 00000000

little endian big endian

00000000 00000000 00000000 01011001 00110110 00110100 10101101 00000000

  1. 默认synchronized(o) 00 -> 轻量级锁 默认情况 偏向锁有个时延，默认是4秒 why? 因为JVM虚拟机自己有一些默认启动的线程，里面有好多sync代码，这些sync代码启动时就知道肯定会有竞争，如果使用偏向锁，就会造成偏向锁不断的进行锁撤销和锁升级的操作，效率较低。

shell -XX:BiasedLockingStartupDelay=0

  1. 如果设定上述参数 new Object () - > 101 偏向锁 ->线程ID为0 -> Anonymous BiasedLock 打开偏向锁，new出来的对象，默认就是一个可偏向匿名对象101

  2. 如果有线程上锁 上偏向锁，指的就是，把markword的线程ID改为自己线程ID的过程 偏向锁不可重偏向 批量偏向 批量撤销

  3. 如果有线程竞争 撤销偏向锁，升级轻量级锁 线程在自己的线程栈生成LockRecord ，用CAS操作将markword设置为指向自己这个线程的LR的指针，设置成功者得到锁

  4. 如果竞争加剧 竞争加剧：有线程超过10次自旋， -XX:PreBlockSpin， 或者自旋线程数超过CPU核数的一半， 1.6之后，加入自适应自旋 Adapative Self Spinning ， JVM自己控制 升级重量级锁：-> 向操作系统申请资源，linux mutex , CPU从3级-0级系统调用，线程挂起，进入等待队列，等待操作系统的调度，然后再映射回用户空间

(以上实验环境是JDK11，打开就是偏向锁，而JDK8默认对象头是无锁)

偏向锁默认是打开的，但是有一个时延，如果要观察到偏向锁，应该设定参数.如果计算过对象的hashCode，则对象无法进入偏向状态！

 

锁升级

 锁升级的过程：new - 偏向锁 - 轻量级锁 （无锁, 自旋锁，自适应自旋）- 重量级锁

JDK较早的版本 OS的资源 互斥量 用户态 -> 内核态的转换 重量级 效率比较低

现代版本进行了优化

无锁 - 偏向锁 -轻量级锁（自旋锁）-重量级锁

偏向锁 - markword 上记录当前线程指针，下次同一个线程加锁的时候，不需要争用，只需要判断线程指针是否同一个，所以，偏向锁，偏向加锁的第一个线程 。hashCode备份在线程栈上 线程销毁，锁降级为无锁

有争用 - 锁升级为轻量级锁 - 每个线程有自己的LockRecord在自己的线程栈上，用CAS去争用markword的LR的指针，指针指向哪个线程的LR，哪个线程就拥有锁

自旋超过10次，升级为重量级锁 - 如果太多线程自旋 CPU消耗过大，不如升级为重量级锁，进入等待队列（不消耗CPU）-XX:PreBlockSpin

自旋锁在 JDK1.4.2 中引入，使用 -XX:+UseSpinning 来开启。JDK 6 中变为默认开启，并且引入了自适应的自旋锁（适应性自旋锁）。

自适应自旋锁意味着自旋的时间（次数）不再固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也是很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后尝试获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，直接阻塞线程，避免浪费处理器资源。

偏向锁由于有锁撤销的过程revoke，会消耗系统资源，所以，在锁争用特别激烈的时候，用偏向锁未必效率高。还不如直接使用轻量级锁。

锁重入

sychronized是可重入锁

重入次数必须记录，因为要解锁几次必须得对应

偏向锁 自旋锁 -> 线程栈 -> LR + 1

重量级锁 -> ? ObjectMonitor字段上

synchronized最底层实现

public class T {
    static volatile int i = 0;

    public static void n() { 
        i++; 
    }

    public static synchronized void m() {}

    publics static void main(String[] args) {
        for(int j=0; j<1000_000; j++) {
            m();
            n();
        }
    }

}

java -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly T

C1 Compile Level 1 (一级优化)

C2 Compile Level 2 (二级优化)

找到m() n()方法的汇编码，会看到 lock comxchg 指令

synchronized vs Lock (CAS)

在高争用 高耗时的环境下synchronized效率更高 在低争用 低耗时的环境下CAS效率更高 synchronized到重量级之后是等待队列（不消耗CPU） CAS（等待期间消耗CPU）一切以实测为准

锁消除 lock eliminate

 public void add(String str1,String str2) { 
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(str1).append(str2); 
}

我们都知道 StringBuffer 是线程安全的，因为它的关键方法都是被 synchronized 修饰过的，但我们看上面这段代码，我们会发现，sb 这个引用只会在 add 方法中使用，不可能被其它线程引用（因为是局部变量，栈私有），因此 sb 是不可能共享的资源，JVM 会自动消除 StringBuffer 对象内部的锁。

锁粗化 lock coarsening

 public String test(String str) {
   int i = 0;
   StringBuffer sb = new StringBuffer():
   while(i < 100){
       sb.append(str);
       i++;
   }
   return sb.toString():

JVM 会检测到这样一连串的操作都对同一个对象加锁（while 循环内 100 次执行 append，没有锁粗化的就要进行 100 次加锁/解锁），此时 JVM 就会将加锁的范围粗化到这一连串的操作的外部（比如 while 虚幻体外），使得这一连串操作只需要加一次锁即可。

锁降级

只被VMThread访问，降级也就没啥意义了。所以可以简单认为锁降级不存在

 

FAQ:

自旋锁什么时候升级为重量级锁？

有线程超过10次自旋， -XX:PreBlockSpin， 或者自旋线程数超过CPU核数的一半， 1.6之后，加入自适应自旋 Adapative Self Spinning ， JVM自己控制

为什么有自旋锁还需要重量级锁？

自旋是消耗CPU资源的，如果锁的时间长，或者自旋线程多，CPU会被大量消耗,重量级锁有等待队列，所有拿不到锁的进入等待队列，不需要消耗CPU资源

偏向锁是否一定比自旋锁效率高？

不一定，在明确知道会有多线程竞争的情况下，偏向锁肯定会涉及锁撤销，这时候直接使用自旋锁,JVM启动过程，会有很多线程竞争（明确），所以默认情况启动时不打开偏向锁，过一段儿时间再打开.JVM启动过程，会有很多线程竞争（明确），所以默认情况启动时不打开偏向锁，过一段儿时间再打开，默认4秒

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