【多线程】synchronized 中的 锁优化的机制 (偏向锁->轻量级锁->重量级锁)

【多线程】synchronized 中的 锁优化的机制 (偏向锁->轻量级锁->重量级锁)

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synchronized 的 锁优化的机制

这也是属于我们编译器优化，以及说 JVM ，操作系统，它们的一些优化策略所涉及到一些小细节。

这些东西，其实说白了：如果我们不需要去实现 JVM 和 编译器，就并不需要去理解。 但奈何，现在都卷到这个份上，那我们就学吧

基本特点

结合上面的锁策略, 我们就可以总结出

Synchronized 具有以下特性(只考虑 JDK 1.8):

1、 开始时是乐观锁, 如果锁冲突频繁, 就转换为悲观锁. 2、 开始是轻量级锁实现, 如果锁被持有的时间较长, 就转换成重量级锁. 3、 实现轻量级锁的时候大概率用到自旋锁策略 4、 是一种不公平锁 5、 是一种可重入锁 6、 不是读写锁 7、实现重量级锁的时候大概率会用到 挂起等待锁。

加锁工作过程

JVM 将 synchronized 锁分为 无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁 状态。会根据情况，进行依次升级 。

1. 偏向锁

偏向锁不是真的加锁, 而只是在锁的对象头中记录一个标记(记录该锁所属的线程)，如果没有其他 线程参与竞争锁，那么就不会真正执行加锁操作，从而降低程序开销，一旦真的涉及到其他的线程竞 争，再取消偏向锁状态，进入轻量级锁状态

举个栗子理解偏向锁 ：

有一天我看上了一个小哥哥,长的又帅又有钱万一后面有一天，我腻歪了，然后想把他甩了，但是他要是对我纠缠不休，这还麻烦 我就只是和这个小哥哥搞暧昧。同时，又不明确我们彼此的关系。 这样做的目的就是为了有朝一日，我想换男朋友了,就直接甩了就行 但是如果再这个过程中，有另外一个妹子，也在对这个小哥哥频频示好我就需要提高警惕了，对于这种情况，就要立即和小哥哥确认关系 (男女朋友的关系)，立即对另外的妹子进行回击：他是我男朋友。你离他远点 偏向锁 并不是真的加锁，只是做了一个标记 带来的好处就是，后续如果没人竞争的时候，就避免了加锁解锁的开销 偏向锁，升级到轻量级锁的过程 如果没有其他的妹子和我竞争，就一直不去确立关系，(节省了确立关系 / 分手的开销) 如果没有其他的线程来竞争这个锁，就不必真的加锁，(节省了加锁解锁的开销)

文里的偏向锁,和懒汉模式也有点像，思路都是一致的，只是在必要的时候，才进行操作，如果不必要，则能省就省

2. 轻量级锁

其他线程进入竞争，偏向锁状态被消除，进入轻量级锁状态 (自适应的自旋锁).

此处的轻量级锁就是通过 CAS 来实现

通过 CAS 检查并更新一块内存 (比如 null => 该线程引用) 如果更新成功, 则认为加锁成功 如果更新失败, 则认为锁被占用, 继续自旋式的等待(并不放弃 CPU)

自旋操作是一直让 CPU 空转, 比较浪费 CPU 资源. 因此此处的自旋不会一直持续进行, 而是达到一定的时间/重试次数, 就不再自旋了.也就是所谓的 “自适应”

3. 重量级锁

如果竞争进一步激烈, 自旋不能快速获取到锁状态, 就会膨胀为重量级锁

此处的重量级锁就是指用到内核提供的 mutex

执行加锁操作, 先进入内核态. 在内核态判定当前锁是否已经被占用 如果该锁没有占用, 则加锁成功, 并切换回用户态. 如果该锁被占用, 则加锁失败. 此时线程进入锁的等待队列, 挂起. 等待被操作系统唤醒. 经历了一系列的沧海桑田, 这个锁被其他线程释放了, 操作系统也想起了这个挂起的线程, 于是唤醒这个线程, 尝试重新获取锁

synchronized 几个典型的优化手段

1、锁膨胀/锁升级

体现了 synchronized 能够 “自适应” 这样的能力。

所以，当我们使用 synchronized 进行加锁的时候，它会根据实际情况来进行逐步升级的。 如果当前没有线程跟它竞争，它就始终保持在偏向锁的状态。 如果有其他现场称跟它竞争，它会升级成一个自旋锁/轻量级锁。 【如果锁竞争就保持轻微的情况下，它就会一直抱着一个 自旋锁的状态】 如果锁竞争进一步加剧，它就会进一步的升级到 重量级锁。  synchronized 就有这样的一个自适应的过程。

2、锁粗化

有锁粗化，也就有锁细化。 此处的粗细指的是“锁的粒度”。 粒度：加锁代码涉及到的范围。 加锁代码的范围越大，认为锁的粒度就 越粗。 加锁代码的范围越小，认为锁的粒度就 越细。

实际开发过程中, 使用细粒度锁, 是期望释放锁的时候其他线程能使用锁. 但是实际上可能并没有其他线程来抢占这个锁. 这种情况 JVM 就会自动把锁粗化, 避免频繁申请释放锁

举个栗子理解锁粗化 ：

领导给下属交代工作任务:方式一: 打电话, 交代任务1, 挂电话.打电话, 交代任务2, 挂电话.打电话, 交代任务3, 挂电话. 方式二: 打电话, 交代任务1, 任务2, 任务3, 挂电话. 显然, 方式二是更高效的方案.

到底锁粒度是粗好还是细好？

如果锁粒度比较细，多个线程之间的并发性就更高 如果锁粒度比较粗，加锁解锁的开销就更小 编译器就会有一个优化，就会自动判定，如果某个地方的代码锁的粒度太细了就会进行粗化 如果两次加锁之间的间隔较大 (中间隔的代码多)，一般不会进行这种优化；如果加锁之间间隔比较小 (中间隔的代码少)，就很可能触发这个优化

3、锁消除

有些代码，明明不用加锁，结果你给加上锁了 编译器在编译的时候，发现这个锁好像没有存在的必要，就直接把锁给去掉了。

就比如你当前的代码是处于单线程的情况，你还咔咔的顿加锁操作。这个时候，编译器就会你创建的锁，都去掉。 疑问：单线程的代码，有谁会去加锁的？

其实有时候加锁操作并不是很明显，稍不留神就可能会做出这种错误的决定。

StringBuffer sb = new StringBuffer(); sb.append("a"); sb.append("b"); sb.append("c"); sb.append("d");

此时每个 append 的调用都会涉及加锁和解锁，但如果只是在单线程中执行这个代码，那么这些加锁解

锁操作是没有必要的，白白浪费了一些资源开销

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