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一、同步机制

保证同享资源的读写安全，需求一种同步机制：用于处理2方面问题：

  • 线程间通讯：线程间交换信息的机制
  • 线程间同步：控制不同线程之间操作产生相对次序的机制
    Java版管程：Synchronized

二、同步机制-管程

2.1 认识管程

同步机制中有经典的管程方案，关于管程在在中国大学mooc中搜索 管程 有些大学的操作系统课程会讲解管程。管程其实就是对同享变量以及其操作的封装：

  1. 将同享资源封装起来，对外供给操作这些同享资源的办法。
  2. 线程只能经过调用管程中的办法来间接地拜访管程中的同享资源

2.2 管程如何处理同步和通讯问题：

  1. 同步问题：

    • 管程是互斥进入，管程供给了入口等候行列：存储等候进入同步代码块的线程
    • 管程的互斥性是由编译器负责保证的。

  2. 通讯问题: 管程中设置条件变量，等候/唤醒操作，以处理同步问题。

    • 条件变量（java里理解为锁目标自身）
    • 等候操作:能够让进程、线程在条件变量上等候（此时，应先开释管程的运用权，不然别其它线程、进程拿不到运用权）；将线程存储到条件变量的等候行列中。
    • 发信号操作:也能够经过发送信号将等候在条件变量上的进程、线程唤醒（将等候行列中的线程唤醒）

2.3 关键数据结构和办法：

  1. 线程行列：
    • 入口等候行列：存储等候进入同步代码块的线程；线程进入管程后，能够履行同步块代码。java中的_EntryList
    • 条件等候行列：入口等候行列中的线程，进入管程后，履行同步块代码的过程中，需求等候某个条件满意之后，才能继续履行，就将线程放入此变量的等候行列中。java是面向目标的规划，这儿的条件变量即锁目标自身（线程都在等候具有这个锁），所以只有一个条件变量等候行列即_WaitSet。
  2. 同步办法：
    • wait() ：等候条件变量，将线程放入条件变量的等候行列中。
    • notify()：激活某个条件变量上等候行列中的一个线程
    • notifyAll()：激活某个条件变量上等候行列中的所有线程

Java版管程：Synchronized

三、java版的管程 synchronized

synchronized 是语法糖，会被编译器编译成：1个monitorenter 和 2个moitorexit（一个用于正常退出，一个用于异常退出）。monitorenter 和 正常退出的monitorexit中间是synchronized包裹的代码，如下图：

Java版管程：Synchronized

在HotSpot虚拟机中，monitor是由ObjectMonitor实现的，ObjectMonitor首要数据结构如下：

  • _count：记载owner线程获取锁的次数，即重入次数，也即是可重入的。
  • _owner：指向具有该目标的线程
  • _EntryList：管程的入口等候行列，即寄存等候锁而被block的线程。
  • _WaitSet：管程的条件变量等候行列，寄存具有锁后，调用了wait()办法的线程；

进入EntryList的线程需求与其他线程争抢锁，抢到锁之后以排它方法履行同步代码块的代码，当一个线程被notify后，将从_WaitSet中移动到EntryList中。

Java版管程：Synchronized

四、运用锁

4.1 对实例目标加锁

  • 同步实例办法
public synchronized void fun(){
}
  • 同步代码块 参数是实例
public void fun(){
    synchronized(this){
        ...
    }
}

4.2 对类加锁

  • 同步静态办法
class Aclass{
    static synchronized void fun(){
    }
}
  • 同步代码块 参数是类
class Aclass{
    static void fun(){
        synchronized (Aclass.class){
        }
    }
}

4.3 目标的内存结构

HotSpot虚拟机中，目标在内存中存储的布局能够分为三块区域:目标头 (Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。其间目标头中的Mark Word 区域中会存储 目标锁，锁状况标志，倾向 锁(线程)ID，倾向时刻，数组长度(数组目标)等，Mark Word被规划成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内 存存储尽量多的数据，它会依据目标的状况复用自己的存储空间，也就是说， Mark Word会跟着程序的运行产生改变，32位虚拟机中改变状况如下：

Java版管程：Synchronized

五、锁的改变

锁的功能开销的改变：无锁——>倾向锁——>轻量级锁——>重量级锁，而且膨胀方向不可逆。

Java版管程：Synchronized

倾向锁：线程获取锁后，锁目标的Mark Word符号倾向锁，经过一个字段记载当前线程id，

  1. 本线程再次争夺锁时：查看这个线程ID跟自己相同，就重入。
  2. 不同的线程争夺锁：锁目标中的线程ID不是自己，且有倾向锁标识，则建议倾向锁撤销操作。
    • 在SafePoint的时分，若倾向锁撤销成功，且当前线程经过CAS操作争夺到了锁，则继续坚持倾向锁状况.
    • 若一次CAS操作未争夺到锁，意味着还有其他的线程也在竞赛这个锁，此时就进行锁晋级，晋级为轻量级锁。
  3. 轻量级锁是自适应自旋锁
    • 自旋获取锁成功：坚持轻量级锁状况？？
    • 自旋获取锁失败 ，则进入重量级锁；

5.1 本钱的差异

不同的锁功能本钱不同：

1）重量级锁：线程在用户态到内核态之间切换本钱高

锁不能降级，锁变成重量级锁之后，就一向要作为重量级锁运用吗？那还怎样自适应自旋？？

Java锁优化–JVM锁降级里说道：锁降级的确 是会产生的，当 JVM 进入安全点（SafePoint）的时分，会查看是否有闲置的 Monitor，然后企图进行降级。

2）其他的锁都是为了更小的开销

  • 倾向锁：一次CAS操作，修正一下锁中的字段，就被标识为拿得到了锁
  • 轻量锁：一次CAS操作拿不到锁，，那就自旋空转屡次CAS操作，会稍稍费一点CPU，可是能更快的拿到锁；自适应自旋后，还拿不到锁，那就只能运用重量级锁了。
    • 自旋锁：许多状况下，同享数据的锁定状况持续时刻较短，切换线程不值得，经过让线程履行循环等候锁的开释，不让出CPU。假如得到锁，就顺畅进入临界区。假如还不能取得锁，那就会将线程在操作系统层面挂起，这就是自旋锁的优化方法。可是它也存在缺点：假如锁被其他线程长时刻占用，一向不开释CPU，会带来许多的功能开销。
    • 自适应自旋锁：这种相当所以对上面自旋锁优化方法的进一步优化，它的自旋的次数不再固定，其自旋的次数由前一次在同一个锁上的自旋时刻及锁的具有者的状况来决议，这就处理了自旋锁带来的缺点。

5.2 锁消除

消除锁是虚拟机别的一种锁的优化，这种优化更完全，在JIT编译时，对运行上下文进行扫描，做逃逸剖析，去除不可能存在竞赛的锁（去掉了申请和开释锁的代码了）。比方下面代码的method1和method2的履行功率是相同的，由于object锁是私有变量，不存在所得竞赛关系。

Java版管程：Synchronized

锁消除示例(来自网络).png

5.3 锁粗化

锁粗化是虚拟机对另一种极端状况的优化处理，经过扩大锁的范围，防止反复获取锁和开释锁。比方下面method3经过锁粗化优化之后就和method4履行功率相同了。

Java版管程：Synchronized

锁粗化示例(来自网络).png

参阅并感谢

Java锁优化–JVM锁降级

聊聊并发（二）Java SE1.6中的Synchronized