Synchronized详解

Synchronized详解 1、同步器的意义

多线程编程中，有可能会出现多个线程同时访问同一个共享、可变资源的情况，这个资源我们称之其为临界资源；这种资源可能是：对象、变量、文件等。
- 共享：资源可以由多个线程同时访问
- 可变：资源可以在其生命周期内被修改
Java 中，提供了两种方式来实现同步互斥访问：synchronized 和 Lock
同步器的本质就是加锁，加锁目的：序列化访问临界资源，即同一时刻只能有一个线程访问临界资源(同步互斥访问)
当多个线程执行一个方法时，该方法内部的局部变量并不是临界资源，因为这些局部变量是在每个线程的私有栈中，因此不具有共享性，不会导致线程安全问题。

2、synchronized原理

synchronized是基于JVM内置锁实现，通过内部对象Monitor(监视器锁)实现。
Monitor对象存在于每个Java对象的对象头Mark Word中，Synchronized锁便是通过这种方式获取锁的。
加锁的方式：
1. 实例方法：锁是当前实例对象；
2. 类方法：锁是当前类对象；
3. 代码块：锁是括号里面的对象；
代码块
- synchronized 同步语句块的实现使用的是 monitor enter 和 monitor exit 指令，其中monitor enter 指令指向同步代码块的开始位置，monitor exit 指令则指明同步代码块的结束位置。当执⾏monitor enter 指令时，线程试图获取锁也就是获取 monitor的持有权。
- 当计数器为0则可以成功获取，获取后将锁计数器设为1也就是加1。相应的在执⾏ monitorexit 指令后，将锁计数器设为0，表明锁被释放。如果获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到锁被另外⼀个线程释放为⽌。
方法
- 当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置
  了，执行线程将先持有monitor然后再执行方法，最后再方法完成时释放monitor。

3、对象的内存布局

HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。
HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分是“Mark Word”，用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等，它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。

4、锁升级

Synchronized的执行流程

锁升级的过程（重点）

无锁状态 —> 偏向锁 —> 轻量级锁(自旋锁) —> 重量级锁

偏向锁

主要用来优化同一线程多次申请同一个锁的竞争。
偏向锁的作用：当一个线程再次访问这个同步代码或方法时，该线程只需去对象头的 Mark Word 中去判断一下是否有偏向锁指向它的 ID，无需再进入 Monitor 去竞争对象了。

轻量级锁

判断当前对象是否处于无锁状态，若是，将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record），用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，如果成功表示竞争到锁，则将锁标志位变成00；
否则，判断当前对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是则表示当前线程已经持有当
前对象的锁，则直接执行同步代码块；否则只能说明该锁对象已经被其他线程抢占了，需要膨胀为
重量级锁，锁标志位变成10，后面等待的线程将会进入阻塞状态；

自旋锁的实现

重量级锁 monitor对象（ObjectWaiter、WaitSet、EntryList、Owner）

WaitSet 和 EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表（每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象），owner指向持有ObjectMonitor对象的线程
当一个线程尝试获得锁时，如果锁没有被占用，线程获取到对象的monitor后，把monitor中的owner 变量设置为当前线程，同时monitor中的计数器count加1；
如果该锁已经被占用，将该线程封装成一个ObjectWaiter对象插入 EntryList 队列尾部；
线程占有锁时调用了wait() 方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入 WaitSet集合中等待被唤醒；