互斥鎖

互斥鎖futex，全拼fast userspace mutexes，直翻為快速用戶空間互斥器，它是我們上層應(yīng)用實(shí)現(xiàn)鎖的最常用方法。futex是一塊所有進(jìn)程都可以訪問(wèn)的內(nèi)存，是通過(guò)cpu的原子操作修改內(nèi)存中的值來(lái)嘗試獲取瑣，如果沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)，則直接在用戶空間完成操作，無(wú)需切換內(nèi)核空間，以此保證了futex的性能。

synchronized

其實(shí)java多線程操作大體就那么幾種，基于cas的aqs，synchronized和volatile，這篇文章主要介紹下synchronized。

synchronized是java的關(guān)鍵字，在老版本的jdk中性能表現(xiàn)并不太好，所以有了很多基于cas的Lock，但最近幾版jdk都對(duì)synchronized做了很多優(yōu)化，以后synchronized也會(huì)作為jdk主推的鎖。

synchronized最主要的優(yōu)化就是引入了升級(jí)功能，升級(jí)主要分偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖。

synchronized因?yàn)橛猩?jí)和降級(jí)，既不會(huì)直接粗暴的使用互斥鎖，也不會(huì)有cas鎖在超高并發(fā)下多次嘗試引起的性能問(wèn)題，所以相比juc的cas鎖，synchronized在大多數(shù)情況下性能更好。

synchronized的使用方法主要有3種

//加鎖到靜態(tài)方法上

public static synchronized void test();

//加鎖到實(shí)例方法上

public synchronized void test();

//加鎖到對(duì)象上

synchronized(this){

}

// 加鎖在靜態(tài)方法上同加鎖到類對(duì)象上

synchronized(Test.class){

}

// 加鎖到實(shí)例方法上同加鎖到當(dāng)前對(duì)象上

synchronized(this){

}

總體上說(shuō)，不管是鎖類對(duì)象，還是鎖其它對(duì)象都是鎖到一個(gè)對(duì)象上了。

這張圖很重要，在下面會(huì)多次用到，就先放這里了。

偏向鎖

java為了支持鎖對(duì)象，在對(duì)象頭上做了上圖的設(shè)計(jì)，markword是對(duì)象頭中的一部分，64位虛擬機(jī)占64bit，markword在不同等級(jí)鎖狀態(tài)下存儲(chǔ)的內(nèi)容是不同的，上圖是鎖處于不同狀態(tài)時(shí)markword存儲(chǔ)的內(nèi)容。

其實(shí)經(jīng)過(guò)大量測(cè)試在我們使用synchronized時(shí)，大多數(shù)情況并沒(méi)有發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，很多訪問(wèn)都發(fā)生在一個(gè)線程里，所以設(shè)計(jì)了偏向鎖，偏向鎖的意思就是鎖偏向某個(gè)線程。

當(dāng)我們嘗試給一個(gè)對(duì)象加鎖時(shí)，會(huì)有幾種情況。

未偏向：如果lock為01時(shí)，biased_lock為0，表示沒(méi)有線程持有這個(gè)對(duì)象的偏向鎖，線程會(huì)通過(guò)cas的方式修改對(duì)象頭獲取偏向鎖。

可重偏向：如果lock為01時(shí)，biased_lock為1，表示對(duì)象被偏向鎖定，這時(shí)還會(huì)拿epoch與klass(可以理解為某個(gè)Class在虛擬機(jī)中對(duì)應(yīng)的對(duì)象)的mark_prototype的epoch作比較，如果不一致表示可重偏向，線程會(huì)通過(guò)cas的方式修改對(duì)象頭獲取偏向鎖。

已偏向：lock為01，biased_lock為1，epoch與mark_prototype的epoch相等表示鎖已偏向，會(huì)比較thread字段的threadId，如果一致表示持有鎖的是當(dāng)前線程，可以重入。

如果沒(méi)有獲取到偏向鎖，就需要進(jìn)行一個(gè)撤銷偏向鎖并升級(jí)偏向鎖的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程比較消耗性能，所以當(dāng)某類對(duì)象，比如我們的User.class這個(gè)對(duì)象的實(shí)例有很多次撤銷(默認(rèn)值為40)，虛擬機(jī)就會(huì)更新klass的epoch，表示可重偏向，這就是為啥鎖的是對(duì)象，判斷epoch是去klass判斷。

輕量鎖

當(dāng)未獲取到偏向鎖時(shí)，需要通知持有偏向鎖的線程撤銷偏向鎖，競(jìng)爭(zhēng)線程則進(jìn)行一個(gè)輕量級(jí)鎖加鎖的過(guò)程。

偏向鎖的撤銷：持有鎖的線程進(jìn)入safepoint時(shí)，判斷持有鎖的線程是否在加鎖狀態(tài)，如果是則直接修改markword為輕量級(jí)鎖，否則釋放偏向鎖，表示未鎖定、

輕量級(jí)鎖加鎖：虛擬機(jī)會(huì)在當(dāng)前線程的棧幀中創(chuàng)建一個(gè)lock record，并拷貝markword到lockrecord，再通過(guò)cas把對(duì)象的markword改為偏向鎖，ptr_to_lock_record指向lockrecord，如果cas成功則表示成功獲取輕量級(jí)鎖，否則進(jìn)行自旋嘗試，就是常說(shuō)的自旋鎖。

輕量級(jí)鎖釋放：輕量級(jí)鎖釋放時(shí)，只要把lockrecord中的markword替換回對(duì)象頭的markword就釋放成功了。

重量級(jí)鎖

當(dāng)自旋嘗試次數(shù)超過(guò)閾值(jvm控制的動(dòng)態(tài)值)，鎖就會(huì)進(jìn)一步升級(jí)，升級(jí)為重量級(jí)鎖。

升級(jí)為重量鎖后，線程就會(huì)出現(xiàn)等待、阻塞、喚醒等各種操作，就會(huì)涉及到用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換，所以叫重量級(jí)鎖，重量級(jí)鎖的實(shí)現(xiàn)就是文中最開(kāi)始提到的futex互斥鎖實(shí)現(xiàn)的。

重量級(jí)鎖既然需要線程的管理機(jī)制，自然引入了管程(monitor)，java的管程模式類似mesa。

contentionList: 所有想要競(jìng)爭(zhēng)的線程都要進(jìn)入的隊(duì)列，又叫cxq。

entrylist: 準(zhǔn)備競(jìng)爭(zhēng)的線程都在這個(gè)隊(duì)列，這個(gè)隊(duì)列只有空的時(shí)候才去cxq中拉去，cxq每次只會(huì)有一個(gè)進(jìn)去entrylist。

OnDeck：entrylist中的一個(gè)線程，一般為最前面的線程，只有OnDeck線程才會(huì)去競(jìng)爭(zhēng)鎖、

waitset：當(dāng)我們調(diào)用wait()方法時(shí)，線程就會(huì)進(jìn)入waitset，被notity后直接進(jìn)入entrylist，所以被喚醒的線程比剛參與競(jìng)爭(zhēng)的線程優(yōu)先級(jí)更高。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的java互斥锁的实现原理_java-深入分析synchronized原理的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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