小陳：呼叫老王......

老王：來(lái)了來(lái)了，小陳你準(zhǔn)備好了嗎？今天我們來(lái)講synchronized的鎖重入、鎖優(yōu)化、和鎖升級(jí)的原理

小陳：早就準(zhǔn)備好了，我現(xiàn)在都等不及了

老王：那就好，那我們廢話不多說(shuō)，直接開(kāi)始第一個(gè)話題：synchronized是怎么實(shí)現(xiàn)鎖重入的？

synchronized的鎖重入

小陳：老王，其實(shí)這個(gè)問(wèn)題，之前我看了前幾篇講的，就知道了。

老王：哦，看來(lái)你是有準(zhǔn)備的，那你來(lái)說(shuō)說(shuō)......

小陳：所謂鎖重入，就是支持正在持有鎖的線程支持再次獲取鎖，不會(huì)出現(xiàn)自己鎖死自己的問(wèn)題。

老王：嗯嗯，沒(méi)錯(cuò)的

小陳：我打個(gè)比方，比如以下的代碼：

synchronized(this) {synchronized(this){synchronized(this){synchronized(this){synchronized(this){ ........ } } } } }

可能對(duì)應(yīng)下面的指令：

monitorenter monitorentermonitorentermonitorentermonitorenter......monitorexit monitorexit monitorexitmonitorexit monitorexit

回顧之前講的加鎖就是將_count 由 0 設(shè)置為1，將_owner指向自己，這里的_owner就是指向加鎖的線程。

（1）所以再次重入加鎖的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)有人加鎖了，同時(shí)檢查_owner是不是自己加鎖的，如果是自己加鎖的，只需要將_count 次數(shù)加1即可。

（2）同樣，在釋放鎖的時(shí)候執(zhí)行monitorexit指令，首先將_count進(jìn)行減1，當(dāng)_count 減少到0的時(shí)候表示自己釋放了鎖，然后將_owner 指向null。

小陳：所以，根據(jù)上訴鎖重入的方式，代碼進(jìn)入了5次synchronized 相當(dāng)于執(zhí)行了5次monitorenter加鎖，最后_count = 5。 當(dāng)5次monitorexit執(zhí)行完了之后，_count = 0即釋放了鎖。

老王：很好，說(shuō)得很詳細(xì)，鼓掌鼓掌.......

鎖消除

老王：小陳啊，鎖重入這個(gè)你理解得很不錯(cuò)，鎖消除這個(gè)你再來(lái)說(shuō)說(shuō)..

小陳：鎖消除啊，這個(gè)也很簡(jiǎn)單，就是在不存在鎖競(jìng)爭(zhēng)的地方使用了synchronized，jvm會(huì)自動(dòng)幫你優(yōu)化掉，比如說(shuō)下面的這段代碼......

public void business() {// lock對(duì)象方法內(nèi)部創(chuàng)建，線程私有的，根本不會(huì)引起競(jìng)爭(zhēng)Object lock = new Object();synchronized(lock) {i++;j++;// 其它業(yè)務(wù)操作 } }

上面的這段代碼，由于lock對(duì)象是線程私有的，多個(gè)線程不會(huì)共享；像這種情況多線程之間沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)，就沒(méi)必要使用鎖了，就有可能被JVM優(yōu)化成以下的代碼：

public void business() {i++;j++;// 其它業(yè)務(wù)操作 }

小陳：這就是我理解的鎖消除，只有一個(gè)線程會(huì)用到，不會(huì)引起多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)的；相當(dāng)于就自己用，沒(méi)必要加鎖了。

老王：嗯嗯，這個(gè)鎖消除也理解的不錯(cuò)......

synchronized鎖升級(jí)

老王：那synchronized的鎖升級(jí)原理呢？ 你來(lái)說(shuō)說(shuō)

小陳：額，這個(gè)鎖升級(jí)其實(shí)我了解得不深，還比較模糊，還是老王您來(lái)講吧......

老王：哈哈，好。講解鎖升級(jí)之前，我先問(wèn)個(gè)問(wèn)題，synchronized為什么要設(shè)計(jì)成可升級(jí)的鎖呢？

小陳：這個(gè)，我理解的就是希望能盡量花費(fèi)最小的代價(jià)能達(dá)到目的。

老王：嗯嗯，是這個(gè)理由沒(méi)錯(cuò)；但是你知道synchronized在什么鎖的情況下花費(fèi)什么代價(jià)嗎？以及每次升級(jí)之后花費(fèi)了什么代價(jià)嗎？

小陳：額，這個(gè)......，不清楚

老王：在說(shuō)這個(gè)之前，我先給你看一下前兩章都講解過(guò)Mark Word的圖，我們?cè)賮?lái)回顧一下：

之前我們說(shuō)過(guò)，Mark Word是一個(gè)32bit位的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最后兩位表示的是鎖標(biāo)志位，當(dāng)Mark Word的鎖標(biāo)志位不同的時(shí)候，代表Mark Word 中記錄的數(shù)據(jù)不一樣。

（1）比如鎖模式標(biāo)志位是，也就是最后兩位是01的時(shí)候，表示處于無(wú)鎖模式或者偏向鎖模式。

無(wú)鎖：如果此時(shí)偏向鎖標(biāo)志，倒數(shù)第3位，是0，即最后3位是001，表示當(dāng)前處于無(wú)鎖模式，此時(shí)Mark Word就常規(guī)記錄對(duì)象hashcode、GC年齡信息。

偏向鎖：倒數(shù)第3位是1，即Mark word最后3位是101，則表示當(dāng)前處于偏向鎖模式，那么Mark Word就記錄獲取了偏向鎖的線程ID、對(duì)象的GC年齡。

（2）輕量級(jí)鎖：當(dāng)鎖模式標(biāo)志位是00的時(shí)候，表示當(dāng)前處于輕量級(jí)鎖模式，此時(shí)會(huì)生成一個(gè)輕量級(jí)的鎖記錄，存放在獲取鎖的線程棧空間中，Mark Word此時(shí)就存儲(chǔ)這個(gè)鎖記錄的地址。

Mark Word存儲(chǔ)的地址在哪個(gè)線程的棧空間中，就表示哪個(gè)線程獲取到了輕量級(jí)鎖。

（3）重量級(jí)鎖：當(dāng)鎖模式標(biāo)志位是10的時(shí)候，表示當(dāng)前處于重量級(jí)鎖模式，此時(shí)加鎖就不是Mark Word的責(zé)任了，需要找monitor鎖監(jiān)視器，這個(gè)上一章我們已經(jīng)講解monitor加鎖的原理了。

此時(shí)Mark Word就記錄了一下monitor的地址，然后有線程找Mark Word的時(shí)候，Mark Word就把monitor地址給它，告訴線程自個(gè)根據(jù)這個(gè)地址找monitor進(jìn)行加鎖。

老王：小陳啊，這個(gè)是我們前兩章講解過(guò)的內(nèi)容，這些都還記得不？

小陳：嗯嗯，這些我都知道，老王你前面兩章已經(jīng)分析得非常細(xì)致了。

老王：那好，我就不繼續(xù)啰嗦了，首先馬上進(jìn)入synchronized鎖升級(jí)過(guò)程中，偏向鎖的講解。

偏向鎖

如果上表格所示，當(dāng)有線程第一次進(jìn)入synchronized的同步代碼塊之內(nèi)，發(fā)現(xiàn)：

Mark Word的最后三位是001，表示當(dāng)前無(wú)鎖狀態(tài)，說(shuō)明鎖的這時(shí)候競(jìng)爭(zhēng)不激烈啊。

于是選擇代價(jià)最小的方式，加了個(gè)偏向鎖，只在第一次獲取偏向鎖的時(shí)候執(zhí)行CAS操作（將自己的線程Id通過(guò)CAS操作設(shè)置到Mark Word中），同時(shí)將偏向鎖標(biāo)志位改為1。

后面如果自己再獲取鎖的時(shí)候，每次檢查一下發(fā)現(xiàn)自己之前加了偏向鎖，就直接執(zhí)行代碼，就不需要再次加鎖了......

老王：說(shuō)到這里，你知道偏向鎖的原理了沒(méi)？

小陳：明白了，感情線程A這個(gè)家伙加鎖的時(shí)候發(fā)現(xiàn)之前沒(méi)人加過(guò)鎖，所以這家伙很自私，加了個(gè)偏向鎖指向了自己，后面自己再進(jìn)入synchronized的時(shí)候就不需要加鎖了，嘿嘿，原來(lái)是這樣啊

老王：沒(méi)錯(cuò)，就是這樣......

老王：加了偏向鎖的人確實(shí)是個(gè)自私的人，這家伙用完了鎖之后，自己加鎖時(shí)候修改過(guò)的Mark Word信息都不會(huì)再改回來(lái)了，也就是它不會(huì)主動(dòng)釋放鎖。

小陳：啊這...，這個(gè)哥們不釋放鎖，如果它用完了，別人這個(gè)時(shí)候需要進(jìn)入synchronized代碼塊怎么辦？

老王：你說(shuō)的這個(gè)問(wèn)題啊，其實(shí)JVM的設(shè)計(jì)者也考慮到了，這就涉及到一個(gè)重偏向的問(wèn)題。

偏向鎖之重偏向

老王：我給你舉個(gè)例子說(shuō)明一下重偏向咋回事：

線程B去申請(qǐng)加鎖，發(fā)現(xiàn)是線程A加了偏向鎖；這時(shí)候回去判斷一下線程A是否存活，如果線程A掛了，就可以重新偏向了，重偏向也就是將自己的線程ID設(shè)置到Mark Word中。

如果線程A沒(méi)掛，但是synchronized代碼塊執(zhí)行完了，這個(gè)時(shí)候也可以重新偏向了，將偏向標(biāo)識(shí)指向自己，輪到我了，哈哈。

老王：小陳啊，這就回答了你的問(wèn)題了，線程A用完了這家伙不把Mark Word標(biāo)識(shí)改回來(lái)；沒(méi)關(guān)系啊，線程B判斷線程A沒(méi)在synchronized同步代碼塊了，就執(zhí)行重新偏向了。

小陳：嗯嗯，老王你這么將我就明白了。

小陳：老王啊，我還有個(gè)問(wèn)題，就是如果線程B在申請(qǐng)獲取鎖的時(shí)候，線程A這哥們還沒(méi)執(zhí)行完synchronized同步代碼塊怎么辦？

老王：這個(gè)時(shí)候就有鎖的競(jìng)爭(zhēng)了，這就需要將鎖升級(jí)一下了，線程B就會(huì)把鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖？

偏向鎖為什么要升級(jí)為輕量級(jí)鎖？

小陳：為啥啊，都使用偏向鎖不行嗎？不升級(jí)有什么壞處？

老王：下面給你講原因，先給你看下如下代碼塊：

// 代碼塊1 synchronized(this){// 業(yè)務(wù)代碼1 } // 代碼塊2 synchronized(this){// 業(yè)務(wù)代碼2 } // 代碼塊3 synchronized(this){// 業(yè)務(wù)代碼3 } // 代碼塊4 synchronized(this){// 業(yè)務(wù)代碼4 }

假如這個(gè)時(shí)候有線程A、B、C、D四個(gè)線程，線程A先加了偏向鎖。之前講過(guò)偏向鎖只是在第一次獲取鎖的時(shí)候加鎖，后面都是直接操作的不需要加鎖。

這個(gè)時(shí)候其它幾個(gè)線程B、C、D想要加鎖，如果線程A連續(xù)執(zhí)行上面4個(gè)代碼塊，那么其他線程看到線程A都在執(zhí)行synchronized同步代碼塊，沒(méi)完沒(méi)了了，想重偏向都不行!!，這個(gè)時(shí)候就需要等線程A執(zhí)行完4個(gè)synchronized代碼塊之后才能獲取鎖啊，哈哈，別的線程都只能看線程A一個(gè)人自己在那表演了，這樣代碼就變成串行執(zhí)行了。

小陳：原來(lái)是在這樣啊...，也就是說(shuō)如果不進(jìn)行升級(jí)，就會(huì)存在這種問(wèn)題，明白了。

老王：這下子多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)鎖的時(shí)候?yàn)槭裁匆?jí)明白了吧？

小陳：懂了懂......

老王：下面我們進(jìn)入鎖升級(jí)的第一個(gè)級(jí)別，輕量級(jí)鎖，講之前，先回顧之前將的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)：

輕量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖模式下，加鎖之前會(huì)創(chuàng)建一個(gè)鎖記錄，然后將Mark Word中的數(shù)據(jù)備份到鎖記錄中（Mark Word存儲(chǔ)hashcode、GC年齡等很重要數(shù)據(jù)，不能丟失了），以便后續(xù)恢復(fù)Mark Word使用。

這個(gè)鎖記錄放在加鎖線程的虛擬機(jī)棧中，加鎖的過(guò)程就是將Mark Word 前面的30位指向鎖記錄地址。所以mark word的這個(gè)地址指向哪個(gè)線程的虛擬機(jī)棧中，就說(shuō)明哪個(gè)線程獲取了輕量級(jí)鎖。

小陳：嗯嗯，這個(gè)我了解，之前我們?cè)谇懊娴奈恼吕锩嬗懻撨^(guò)。

老王：好的，既然你了解我就放心了，記得如果不了解的話需要看一下之前講過(guò)的文章哦......

老王：就好比下面的圖，線程A獲取了輕量級(jí)鎖，鎖記錄存在線程A的虛擬機(jī)棧中，然后Mark Word的前面30位存儲(chǔ)鎖記錄的地址。

老王：了解了輕量級(jí)加鎖的原理之后，我們繼續(xù)，來(lái)講講偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖的過(guò)程：

（1）首先線程A持有偏向鎖，然后正在執(zhí)行synchronized塊中的代碼

（2）這個(gè)時(shí)候線程B來(lái)競(jìng)爭(zhēng)鎖，發(fā)現(xiàn)有人加了偏向鎖并且正在執(zhí)行synchronized塊中的代碼，為了避免上述說(shuō)的線程A一直持有鎖不釋放的情況，需要對(duì)鎖進(jìn)行升級(jí)，升級(jí)為輕量級(jí)鎖

（3）先將線程A暫停，為線程A創(chuàng)建一個(gè)鎖記錄Lock Record，將Mark Word的數(shù)據(jù)復(fù)制到鎖記錄中；然后將鎖記錄放入線程A的虛擬機(jī)棧中

（4）然后將Mark Word中的前30位指向線程A中鎖記錄的地址，將線程A喚醒，線程A就知道自己持有了輕量級(jí)鎖

老王：上面就是偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖的過(guò)程，小陳你看明白了嗎？

小陳：等等，我再消化一下，10分鐘過(guò)后.....（再重新看一遍）

小陳：老王，你說(shuō)的這個(gè)偏向鎖升級(jí)輕量級(jí)鎖的過(guò)程我看懂了...

小陳：老王啊，上面偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖的過(guò)程和原理我了解了，那在輕量級(jí)鎖模式下，多線程是怎么競(jìng)爭(zhēng)鎖和釋放鎖的？

老王：我再慢慢給你講解下：

（1）線程A和線程B同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)鎖，在輕量級(jí)鎖模式下，都會(huì)創(chuàng)建Lock Record鎖記錄放入自己的棧幀中

（2）同時(shí)執(zhí)行CAS操作，將Mark Word前30位設(shè)置為自己鎖記錄的地址，誰(shuí)設(shè)置成功了，鎖就獲取到鎖

老王：上面講了加鎖的過(guò)程，輕量級(jí)鎖的釋放很簡(jiǎn)單，就將自己的Lock Record中的Mark Word備份的數(shù)據(jù)恢復(fù)回去即可，恢復(fù)的時(shí)候執(zhí)行的是CAS操作將Mark Word數(shù)據(jù)恢復(fù)成加鎖前的樣子。

老王：這個(gè)輕量級(jí)鎖的加鎖和釋放鎖原理懂了沒(méi)？

小陳：嗯嗯，清晰明了了，老王真棒......

老王：好了看看時(shí)間，差不多九點(diǎn)半了，講完最后一個(gè)輕量級(jí)鎖升級(jí)為重量級(jí)鎖就差不多下班了

重量級(jí)鎖的自旋

老王：小陳啊，你想想，在輕量級(jí)鎖模式下獲取鎖失敗的線程應(yīng)該會(huì)怎么樣？

小陳：獲取鎖失敗的線程應(yīng)該會(huì)再去嘗試吧？或者直接沉睡等待別人釋放鎖的時(shí)候?qū)⑺鼏拘?#xff1f;

老王：你說(shuō)的兩種其實(shí)都有可能，但是你覺(jué)得哪種花銷(xiāo)會(huì)更小一點(diǎn)？

小陳：我覺(jué)得線程沉睡花費(fèi)代價(jià)更大吧，這涉及到上下文切換，操作系統(tǒng)層次涉及到用戶態(tài)轉(zhuǎn)內(nèi)核態(tài)，是一個(gè)非常重的操作。

老王：你說(shuō)的沒(méi)錯(cuò)，既然線程沉睡和喚醒代價(jià)這么大，所以肯定是不會(huì)讓線程輕易就沉睡的；

比如說(shuō)線程沉睡再喚醒最少需要3000ms的時(shí)間，如果某個(gè)線程只使用鎖150ms的時(shí)間就釋放了，如果直接采用沉睡方式的話，這個(gè)時(shí)候synchronized的性能就太差了。

所以啊JVM的設(shè)計(jì)者，設(shè)計(jì)了一種方案，獲取鎖失敗之后的線程自己先原地等一段時(shí)間，然后再去重試獲取鎖，這種方式就叫做自旋。

小陳：但是JVM怎么知道要等多久呢，加入持有鎖的那個(gè)人一直不釋放鎖，其他人要一直自旋等待，然后不斷重復(fù)嘗試嗎？這樣不是非常消耗CPU的資源的嗎？

老王：這里自旋多少次是有一個(gè)限制的，之前我們講解monitor的底層原理的時(shí)候就講解過(guò)了，如果忘記的話可以回去重新看一下。

monitor有一個(gè)_spinFreq參數(shù)表示最大自旋的次數(shù)，_spinClock參數(shù)表示自旋的間隔時(shí)間。所以自旋最多會(huì)重試_spinFreq次，每次失敗之后等_spinClock的時(shí)間過(guò)后再去重試，如果嘗試_spinFreq次之后都沒(méi)有成功，那沒(méi)轍了，只能沉睡了。

老王：自旋其實(shí)是非常消耗CPU資源的，自旋期間相當(dāng)于CPU啥也不干，就在那等著的。為了避免自旋時(shí)間太長(zhǎng)，所以JVM就規(guī)定了默認(rèn)最多自旋10次，10次還獲取不到鎖，那就直接將線程掛起了，線程就會(huì)直接阻塞等待了，這個(gè)時(shí)候性能就差了。

老王：小陳啊，關(guān)于這個(gè)重量級(jí)鎖下的自旋過(guò)程，你清楚了沒(méi)？

小陳：嗯嗯，非常了解了，老王牛逼......

總結(jié)

總的來(lái)說(shuō)啊，JVM設(shè)計(jì)的這套synchronized鎖升級(jí)的原則，主要是為了花費(fèi)最小的代價(jià)能達(dá)到加鎖的目的；

比如在沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)的情況下，進(jìn)入synchronized的使用使用偏向鎖就夠了，這樣只需要第一次執(zhí)行CAS操作獲取鎖，獲取了偏向鎖之后，后面每次進(jìn)入synchronized同步代碼塊就不需要再次加鎖了。

然后在存在多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)鎖的時(shí)候就不能使用偏向鎖了，不能只偏心一個(gè)人，它優(yōu)先獲取鎖，別人都看它表演，這樣是不行的。

于是就升級(jí)為輕量級(jí)鎖，在輕量級(jí)鎖模式在每次加鎖和釋放是都需要執(zhí)行CAS操作，對(duì)比偏向鎖來(lái)說(shuō)性能低一點(diǎn)的，但是總體還是比較輕量級(jí)的。

為了盡量提升線程獲取鎖的機(jī)會(huì)，避免線程陷入獲取鎖失敗就立即沉睡的局面（線程沉睡再喚醒涉及上下文切換，用戶態(tài)內(nèi)核態(tài)切換，是一個(gè)非常重的操作，很費(fèi)時(shí)間），所以設(shè)計(jì)自旋等待；線程每次自旋一段時(shí)間之后再去重試獲取鎖。

當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，并發(fā)很高，或者是synchronized代碼塊執(zhí)行耗時(shí)比較長(zhǎng)，就會(huì)積壓大量的線程都在自旋，由于自旋是空耗費(fèi)CPU資源的，也就是CPU在那等著，做不了其他事情，所以在嘗試了最大的自旋次數(shù)之后；及時(shí)釋放CPU資源，將線程掛起了。

老王：總的來(lái)說(shuō)synchronized升級(jí)的原理就是這樣了？

小陳：嗯嗯，講解的非常詳細(xì)了，真棒......

老王：好了，本章的講解就到這里了，synchronized也講解的差不多了，下一章最后講解一下synchronized保證并發(fā)安全的可見(jiàn)性、有序性、原子性是怎么做到的？

那么我們這個(gè)《練氣篇》就差不多了，學(xué)完這一篇之后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)volatile、synchronized的了解更加深入了，在并發(fā)底層保證了什么，怎么做到了？相信你學(xué)完這一篇之后，功力就會(huì)更加不少咯。

小陳：好的，老王，我們下一章見(jiàn)。

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40.內(nèi)部有哪些變量，怎么表示線程池狀態(tài)和線程數(shù)，看看道格.李大神是怎么設(shè)計(jì)的？

41. ThreadPoolExecutor execute執(zhí)行流程？怎么進(jìn)行任務(wù)提交的？addWorker方法干了啥？什么是workder？

42. ThreadPoolExecutor execute執(zhí)行流程？何時(shí)將任務(wù)提交到阻塞隊(duì)列？ 阻塞隊(duì)列滿會(huì)發(fā)生什么？

43. ThreadPoolExecutor 中的Worker是如何執(zhí)行提交到線程池的任務(wù)的？多余Worker怎么在超出空閑時(shí)間后被干掉的？

44. ThreadPoolExecutor shutdown、shutdownNow內(nèi)部核心流程

45. 再回頭看看為啥不推薦Executors提供幾種線程池？

46. ThreadPoolExecutor線程池篇總結(jié)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的12.synchronized的锁重入、锁消除、锁升级原理？无锁、偏向锁、轻量级锁、自旋、重量级锁的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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