Java多線程中synchronized的工作原理
1. 鎖的工作流程
眾所周知，synchronized 關(guān)鍵字是用來加鎖的，加鎖的原因就是多個(gè)線程搶占資源導(dǎo)致線程執(zhí)行的過程不具備原子性。
JVM 將 synchronized 加鎖的過程分為四個(gè)狀態(tài)分為無鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖。
剛開始是無鎖狀態(tài)，加上鎖后處于偏向鎖狀態(tài)，鎖有了競(jìng)爭(zhēng)鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖，鎖的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈了升級(jí)為重量級(jí)鎖狀態(tài)。
舉例說明：
有個(gè)女孩叫如花，有個(gè)男孩叫阿三，如花是個(gè)漂亮的女孩，阿三是個(gè)帥氣又有錢的男孩。
阿三追求如花，如花不想確定情侶關(guān)系也不想放棄阿三，于是如花吊著阿三，此時(shí)就處于一個(gè)偏向鎖狀態(tài)。阿三就像鎖，鎖的競(jìng)爭(zhēng)不激烈，如花有恃無恐，鎖處于 偏向鎖 狀態(tài)。
某一天，如花發(fā)現(xiàn)阿三正在被其他女孩追求，如花慌了立馬跟張三確定男女關(guān)系，此時(shí)就處于輕量級(jí)鎖狀態(tài)。鎖的競(jìng)爭(zhēng)激烈了，鎖升級(jí)為 輕量級(jí)鎖。
隨著日子一天天過去，越來越多女孩開始愛慕阿三。如花更加緊張了，生怕張三離開她，于是越來越限制張三的自由了，此時(shí)就處于重量級(jí)鎖狀態(tài)。鎖的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈了，鎖升級(jí)為 輕量級(jí)鎖。
在上述例子中，阿三為鎖，如花為 JVM。JVM 通過鎖的競(jìng)爭(zhēng)程度，來決定鎖的策略是什么。
2. 偏向鎖
第一嘗試獲取鎖的線程，優(yōu)先處于偏向鎖的狀態(tài)。此時(shí)這個(gè)線程并未進(jìn)行加鎖操作，而是通過一個(gè) 標(biāo)記 來確定這是第一次獲取鎖的線程。
如果代碼在整個(gè)運(yùn)行過程中，沒有遇到其他線程來競(jìng)爭(zhēng)鎖。就不會(huì)進(jìn)行加鎖了。但，如果有線程進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)鎖，此時(shí)偏向鎖就會(huì)變成一把真正的鎖（輕量級(jí)鎖）。
偏向鎖，主要體現(xiàn)能不加鎖就不加鎖這個(gè)概念，它實(shí)際上并沒有加鎖只是通過一個(gè)標(biāo)記來確定鎖于無競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，等到鎖有競(jìng)爭(zhēng)情況發(fā)生了，偏向鎖才會(huì)變成一把鎖（輕量級(jí)鎖）。
舉例：
21世紀(jì)流行著這樣一段關(guān)系：
有一個(gè)男孩小強(qiáng)和一個(gè)女孩小美，小強(qiáng)是一把鎖，小美是一個(gè)線程。小強(qiáng)和小美想過著夫妻一般的生活但不去領(lǐng)證。此時(shí)，小美在使用這把鎖的時(shí)候鎖的狀態(tài)為偏向鎖，因?yàn)闆]有其他線程競(jìng)爭(zhēng)這把鎖。
某一天，小強(qiáng)在公司認(rèn)識(shí)了一個(gè)女孩小宣，小宣是一個(gè)線程。小宣愛慕小強(qiáng)，于是追求他。小美不想小強(qiáng)被搶走，于是和小強(qiáng)結(jié)婚（領(lǐng)證）。此時(shí)，小美使用小強(qiáng)這把鎖就變成了輕量級(jí)鎖狀態(tài)。最后小強(qiáng)只得對(duì)小宣說：“你是個(gè)好女孩，我配不上你”。
3. 輕量級(jí)鎖和重量級(jí)鎖
輕量級(jí)鎖為了避免進(jìn)入同步狀態(tài)，采用了一些基于CAS操作的優(yōu)化手段，但如果線程CAS操作失敗并達(dá)到一定次數(shù)后，會(huì)進(jìn)入自旋鎖狀態(tài)等待獲取鎖。但如果自旋等待的時(shí)間過長(zhǎng)，就需要升級(jí)為重量級(jí)鎖，這是為了讓其它線程有機(jī)會(huì)搶到鎖。
升級(jí)為重量級(jí)鎖后，會(huì)將當(dāng)前線程阻塞并進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，而不再直接進(jìn)入自旋鎖狀態(tài)等待，這樣可以避免浪費(fèi)CPU資源。同時(shí)，重量級(jí)鎖在釋放鎖的時(shí)候，也需要進(jìn)行內(nèi)核態(tài)的操作，因此其釋放鎖的代價(jià)相對(duì)較高。
3.1 輕量級(jí)鎖
通過上文講解，我們了解到隨著其他線程競(jìng)爭(zhēng)鎖，鎖由偏向鎖狀態(tài)升級(jí)為輕量級(jí)鎖狀態(tài)。輕量級(jí)鎖狀態(tài)，實(shí)際上就是自適應(yīng)的自旋鎖狀態(tài)。
此處的輕量級(jí)鎖，是通過 CAS 機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的：
通過 CAS 機(jī)制檢查并且更新一塊內(nèi)存。如果更新成功，則加鎖成功。更新失敗，則認(rèn)為鎖被占用，繼續(xù)自旋式的等待。
自旋式，就是通過一個(gè)循環(huán)來判定鎖是否被占用。如果鎖被占用此時(shí)會(huì)無限循環(huán)，直到鎖不被占用退出循環(huán)。在此期間，自選鎖一直占用著 CPU 資源，比較浪費(fèi)。
3.2 重量級(jí)鎖
如果鎖競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈，自旋鎖不能快速獲取到鎖的狀態(tài)，就會(huì)升級(jí)為重量級(jí)鎖。此時(shí)的重量級(jí)鎖會(huì)引申到內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)。
4. 常見的鎖優(yōu)化
常見的鎖優(yōu)化有兩種：鎖消除于鎖粗化。請(qǐng)看下方講解。
4.1 鎖消除
鎖消除是一種編譯器優(yōu)化機(jī)制，當(dāng)代碼塊被 synchronized 鎖住時(shí)。
如果該代碼塊只被某一線程獨(dú)占則 synchronized 就被編譯器消除了，因?yàn)榫幾g器會(huì)檢查并認(rèn)為該代碼塊并不需要加鎖，也就是我們所說的鎖被消除了。
當(dāng)然，多個(gè)線程使用多把鎖時(shí)，只要互不干擾各自使用各自的鎖資源，這種情況鎖也會(huì)被消除。
鎖消除是一種優(yōu)化技術(shù)，它可以減少不必要的鎖操作對(duì)性能的影響，提高程序的執(zhí)行效率，節(jié)省系統(tǒng)消耗的資源。
4.2 鎖粗化
談到鎖粗化，我們會(huì)聯(lián)想到一個(gè)“粒度感”，代碼越多粒度越粗，代碼越少粒度越細(xì)。在寫代碼的過程中，我們很難兼容到要保證代碼少又要保證代碼好。
比如在某個(gè)場(chǎng)景下，我們頻繁的使用 加鎖/解鎖 操作，編譯器會(huì)通過優(yōu)化手段將這些頻繁的 加鎖解鎖 進(jìn)行粗化，這樣就能大大減小系統(tǒng)開銷，也就是我們所說的鎖粗化。
舉例說明：
在公司上班，老板上午安排了一個(gè)任務(wù)給我，下午安排了個(gè)任務(wù)給我，晚上又安排了一個(gè)任務(wù)給我，要求我明天晚上之前要完成。
如果我今天下午完成第一個(gè)任務(wù)打電話給老板并匯報(bào)工作，明天上午完成了第二個(gè)任務(wù)再打電話給老板，明天晚上完成了第三個(gè)任務(wù)又打電話給老板。
老板心里肯定想，這人煩不煩一起給我不就得了。（當(dāng)然，在任務(wù)不緊急的情況下）
如果我一次性匯報(bào)三個(gè)任務(wù)，此時(shí)就大大減少了老板接電話（上鎖）掛電話（解鎖）的開銷。
synchronized工作原理是什么？
synchronized 剛開始是無鎖的狀態(tài)，當(dāng) synchronized 所修飾的資源被線程獨(dú)占后就升級(jí)為偏向鎖狀態(tài)，當(dāng) synchronized 被多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)后就升級(jí)為輕量級(jí)鎖，鎖的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈并且鎖釋放得很慢此時(shí)就會(huì)升級(jí)為重量級(jí)鎖狀態(tài)。
什么是偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖？
- 偏向鎖：第一個(gè)使用到鎖的線程，此時(shí)并未進(jìn)行鎖操作，編譯器會(huì)使用一個(gè)標(biāo)識(shí)來確定這個(gè)鎖只被一個(gè)線程使用。
- 輕量級(jí)鎖：當(dāng)鎖被多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)了，此時(shí)鎖會(huì)從偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖，輕量級(jí)鎖會(huì)通過 CAS 機(jī)制即自旋操作，來無限循環(huán)嘗試獲取鎖直到獲取到鎖為止。因此，在獲取到鎖之前會(huì)一直占用CPU資源，容易浪費(fèi)資源。
- 重量級(jí)鎖：當(dāng)鎖競(jìng)爭(zhēng)激烈并且鎖資源釋放過慢，此時(shí)鎖會(huì)中輕量級(jí)鎖升級(jí)為重量級(jí)鎖，重量級(jí)鎖會(huì)跟隨系統(tǒng)的調(diào)度不再進(jìn)行自旋等待，直到鎖釋放了，再參與鎖的競(jìng)爭(zhēng)，大大減少了系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。
到此這篇關(guān)于Java多線程中synchronized的工作原理的文章就介紹到這了,更多相關(guān)synchronized的工作原理內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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