Java锁，真的有这么复杂吗？

前言

作者前面也写了几篇关于 Java 并发编程，以及线程和volatil的基础知识，有兴趣可以阅读作者的原文博客，今天关于Java中的两种锁进行详解，希望对你有所帮助

为什么使用synchronized

在上一章中说了volatile，在多线程下可以保证变量的可见性，但是不能保证原子性，下面一段代码说明：

运行上面代码，会发现输出flag的值不是理想中10000，虽然volatile写入时候会通知其他线程的工作内存值无效，从主内存重写读取。i++是三步操作，读取-赋值-写入不能保证原子性。 原子性：不能被中断要么成功要么失败。

比如此时主内存的flag值10，线程1和线程2读取到自己工作内存都是10，然后线程1在进行赋值的时候，线程2执行了，这时线程2发现自己内存的值和主内存的值一样，并没有修改，然后赋值写入11，此时线程1运行，因为之前读过了，会往下继续运行写入也是11。那么两个线程相当于只增加了一次。要想达到理想值，只需要修改 public synchronized void increase() { flag++; } 就行了。

什么是synchronized

Java提供的一种原子性性内置锁，Java每个对象都可以把它当做是监视器锁，线程代码执行在进入synchronized代码块时候会自动获取内部锁，这个时候其他线程访问时候会被阻塞到队列，直到进入synchronized中的代码执行完毕或者抛出异常或者调用了wait方法，都会释放锁资源。在进入synchronized会从主内存把变量读取到自己工作内存，在退出的时候会把工作内存的值写入到主内存，保证了原子性。

synchronized机制

编译后执行 javap -v Test.class 就会发现两条指令。

synchronized是使用一种monitor机制，在进入锁时候先执行monitorenter指令。退出的时候执行monitorexit指令。synchronized是可重入锁，每个对象中都含有一个计数器当前线程再次获取锁，计数器+1，退出时候计算器-1，直到计数器为0才释放锁资源，唤醒其他线程来争抢资源。任意一个对象都拥有自己的监视器，只有在线程获取到监视器锁时才会进入代码中，否则就进入阻塞状态。

synchronized使用场景

1. 对于普通方法，锁是当前类实例对象。
2. 对于静态方法，锁是当前类对象。
3. 对于同步代码块，锁是synchronized括号里的对象。

synchronized锁升级

synchronized在1.6以前是重量级锁，当前只有一个线程执行，其他线程阻塞。为了减少获得锁和释放锁带来的性能问题，而引入了偏向锁、轻量级锁以及锁的存储过程和升级过程。在1.6后锁分为了无锁、偏向锁、轻量锁、重量锁，锁的状态在多线程竞争的情况下会逐渐升级，只能升级而不能降级，这样是为了提高锁获取和释放的效率。

synchronized的锁是存贮在Java对象头里的，如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字宽（Word）存储对象头，如果对象是非数组类型，则用2字宽存储对象头。1个字宽等于4个字节。

Java对象头中的Mark Word里默认存储了对象是HashCode、分代年龄、和锁标记。

在运行的时候，Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化，可能会变化为存储以下四种形式。

偏向锁

偏向锁的意思未来只有一个线程使用锁，不会有其他线程来争取。

获取锁：

1. 首先检查Mark word中锁的标志是否为01。
2. 如果是01，判断对象头的Mark word记录是否为当前线程ID，如果是执行5，否则执行3.
3. 线程ID并未只指向自己，发送CAS竞争，如果竞争成功，则将Mark Word中线程ID设置为当前线程ID，执行5；如果未成功执行4。
4. 当到达全局安全点（在这个时间点上没有正在执行的字节码）时获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码。
5. 执行同步代码。

撤销锁：偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。需要等待全局安全点，它首先暂停原持有偏向锁的线程，然后检查线程是否还在活着，如果线程处于未活动状态，则释放锁标记，如果处于活动状态则升级为轻量级锁。

CAS

CAS全称是Compare And Swap 即比较并交换，使用乐观锁机制，包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。 如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么才会将该位置值更新为新值 。否则，处理器不做任何操作。

轻量级锁

线程在执行同步代码块之前，JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。

加锁：

1. CAS修改Mark Word，如果成功指向栈中锁记录的指针执行3，如果失败执行2.
2. 发生自旋，自旋到一定次数，如果修改成功执行3，否则锁膨胀为重量级锁。
3. 执行同步代码块。

解锁：

轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。

锁的优缺点

彻底搞懂锁升级

lock

它是在1.5之后提供的一个独占锁接口，它的实现类是ReentrantLock，相比较synchronized这种隐式锁（不用手动加锁和释放锁）的便捷性，但是提供了更加锁的可操作性、可中断的获取锁以及超时获取锁等多种synchronized不具备的特性。

使用方法

在finally中释放锁，目的保证获取锁最终被释放。不要在获取锁写在try里，因为如果在获取锁时发生了异常，异常抛出的同时，也会导致锁无故释放。

AQS

AQS是队列同步器（AbstractQueuedSynchronizer），是用来构建锁或者其他同步器的基础框架，它使用了一个int成员变量表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取的线程排队工作问题。AQS在内部维护了一个单一的状态信息state，可以通过getState、setState、compareAndSetState（CAS操作）修改此值，对于ReentrantLock来说，state可以用来表示当前线程获取锁的可重入次数。ReentrantLock中当一个线程获取了锁，在AQS的内部会进行compareAndSetState将state变为1，如果再次获取就设置为2，释放锁也会去修改state值，只有当值变为0时，其他线程才能获得锁。

锁的介绍

AQS底层维护state和队列来实现独占和共享两种锁。

独占锁：每次只能有一个线程能持有锁，如lock、synchronized。

共享锁：允许多个线程同时获取锁，并发访问共享资源，如ReadWriteLock。

lock分为公平锁和非公平锁，实现了AQS接口，通过FIFO设置锁的优先级。

公平锁：根据线程获取锁的时间来判断，等待时间越久的线程优先被执行。Lock中初始化的时候ReentrantLock（true），默认为false，效率较低因为需要判断线程的等待时间。

非公平锁：抢占锁资源，不能保证获取锁的线程优先级，效率较高，因为获取锁是竞争的。

两者不同

1. synchronized是Java的关键字，lock是提供的类。
2. synchronized提供不需要手动加锁和释放的隐式锁，释放锁的条件是代码执行完或者抛出异常自动释放。lock必须手动加锁和释放锁，另外还提供了可中断锁、超时获取锁、判断锁状态。
3. synchronized是可重入、不可中断、非公平，lock是可重入、可中断、公平（两者皆可）
4. synchronized适合代码量少的同步，lock适合代码量同步多的。**

Condition接口

还记得在 Java并发二 中有一道生产者消费者，使用的是synchronized+wait（notify），lock中也提供了这种等待通知类型的方法await和signal，当前线程调用这些方法时，需要提前获取到Condition对象关联的锁，Condition是依赖于Lock对象，调用lock对象中的newCondition。

老样子还是先定义一个容器：

生产者：启5个线程往容器里添加数据。

消费者：启10线程消费数据

最后

注释基本明确，就不多说了。wait和notify是配合synchronized使用，await和signal是配合lock使用，区别在于唤醒时notify不能指定线程唤醒，signal可以唤醒具体的线程，更小的粒度控制锁。

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