深入理解Java中的鎖（一）

Java中鎖的概念

自旋鎖 ： 是指當一個線程在獲取鎖的時候，如果鎖已經被其他線程獲取，那麼該線程將迴圈等待，然後不斷判斷鎖是否能夠被成功獲取，直到獲取到鎖才會退出迴圈。

樂觀鎖 ： 假定沒有衝突，在修改數據時如果發現數據和之前獲取的不一致，則讀最新數據，修改後重試修改

悲觀鎖 ：假定會發生併發衝突，同步所有對數據的相關操作，從讀數據就開始上鎖

獨享鎖（寫） ： 給資源加上寫鎖，擁有該鎖的線程可以修改資源，其他線程不能再加鎖（單寫）

共用鎖（讀） ： 給資源加上讀鎖後只能讀不能改，其他線程也只能加讀鎖，不能加寫鎖 （多讀）

可重入鎖 ：線程拿到一把鎖後，可以自由進入同一把鎖所同步的代碼

不可重入鎖 ：線程拿到一把鎖後，不可以自由進入同一把鎖所同步的代碼

公平鎖 ：爭搶鎖的順序，按照先來後到的順序

非公平鎖 ：爭搶鎖的順序，不按照先來後到的順序

Java中幾種重要的鎖實現方式：synchronized, ReentrantLock, ReentrantReadWriteLock

同步關鍵字synchronized

• 用於實例方法，靜態方法時，隱式指定鎖對象
• 用於代碼塊時顯示指定鎖對象
• 鎖的作用域：對象鎖，類鎖，分散式鎖

synchronized特性：可重入，獨享，悲觀鎖
鎖優化:

• 鎖消除是發生在編譯器級別的一種鎖優化方式，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用數據競爭的鎖進行削除（開啟鎖消除的參數：-xx:+DoEscapeAnalysis -XX:+EliminateLocks）
• 鎖粗化是指有些情況下我們反而希望把很多次鎖的請求合併成一個請求，以降低短時間內大量鎖請求、同步、釋放帶來的性能損耗

Note： synchronized關鍵字，不僅實現同步，JMM中規定，synchronized要保證可見性（不能夠被緩存）

synchronized用法代碼示例：

public class Counter {

  private static int i = 0;

  // 等價於 synchronized(this)
  public synchronized void update() {
    i++;
  }

  public void updateBlock() {
    synchronized (this) {
      i++;
    }
  }

  // 等價於 synchronized (Counter.class)
  public static synchronized void staticUpdate() {
    i++;
  }

  public static void staticUpdateBlock() {
    synchronized (Counter.class) {
      i++;
    }
  }
}

那麼synchronized加鎖在JVM中到底是如何實現的？

要瞭解synchronized加鎖在JVM中是如何實現的，就有必要瞭解Java對象在JVM中到底是如何存儲的。我們知道JVM中在方法區存儲對象的引用，在堆中存儲的對象實例。那麼堆中存儲的對象又有那些信息哪？其實堆中存儲的對象主要由三部分組成，對象頭，實例欄位數據以及padding。對象頭裡面存儲了指向方法區元數據的引用，實例欄位數據就是存儲了實際的欄位數據，padding主要是為了補位，實例對象在堆中存儲的時候必須是八位元組的整數倍，不夠的時候由padding占位補齊。

對象頭中的數據有具體分為Mark World，Class Metadata Address以及Array Length

• Mark World : 一段32/64的記憶體區域，用來存儲Hashcode、GC分代年齡、鎖狀態標誌、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時間戳等等
• Class Metadata Address : 指向類的元信息的引用
• Array Length ： 如果是數組對象，會有一個Array Length用來標記數組的長度

輕量級鎖

輕量級鎖的加鎖過程：

1. 每個線程都會在棧幀中開闢一塊記憶體空間叫 Lock Record
2. 然後線程會把對象頭中 Mark world 的內容拷貝到 Lock Record
3. 然後，以拷貝的 Mark world 的 記憶體為舊值，以 Lock Record Address 為新值，通過CAS操作進行搶鎖
4. 如果Mark world通過CAS操作成功，則成功搶到鎖
5. 如果CAS操作失敗會進行自旋一定的次數進行搶鎖，如果一定次數還沒搶到則升級為重量級鎖

重量級鎖

線程在獲取輕量級鎖失敗的時候會進行自旋，如果不加以限制會對CPU資源造成較多的消耗，所以自旋一定的次數之後會升級成重量級鎖。
我們知道Java中每個對象都會有一個對象監視器（Object Monitor, 即管程），而升級為重量級鎖就需要用到這個Object Monitor。它會有一個owner用來標記這個鎖被誰占用了，還有一個entry list用來存儲未獲得鎖的線程，entry list中的線程都是blocked狀態。假設兩個線程T1，T2同時去獲取重量級鎖，如果T1獲取到了鎖，那麼owner就會指向T1，而T2就會進入entry list進行等待，從而減少對CPU的消耗。

偏向鎖

在JDK6以後，預設已經開啟了偏向鎖這個優化，可以通過JVM參數 -XX:-UseBiasedLocking來禁用偏向鎖。若偏向鎖開啟，只有一個線程搶鎖，可獲取偏向鎖。偏向鎖會偏向於第一個獲得它的線程，如果在接下來的執行過程中，該鎖沒有被其他的線程獲取，則持有偏向鎖的線程將永遠不需要同步。大多數情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一線程多次獲得，為了讓線程獲得鎖的代價更低而引入了偏向鎖。當鎖對象第一次被線程獲取的時候，線程使用CAS操作把這個線程的ID記錄在對象Mark Word之中，同時置偏向標誌位1。以後該線程在進入和退出同步塊時不需要進行CAS操作來加鎖和解鎖，只需要簡單地測試一下對象頭的Mark Word里是否存儲著指向當前線程的ID。如果測試成功，表示線程已經獲得了鎖。當有另外一個線程去嘗試獲取這個鎖時，偏向模式就宣告結束。根據鎖對象目前是否處於被鎖定的狀態，撤銷偏向後恢復到未鎖定或輕量級鎖定狀態。

鎖的升級過程