synchronized 是Java并发编程中非常重要的角色，这里简单记录对于其原理的学习
基础内容
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synchronized 具有互斥性，可以保证只有一个线程可以访问同步块
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synchronized 修饰普通方法，锁为当前实例对象
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synchronized 修饰静态方法，锁为当前类的Class对象
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synchronized 修饰同步方法块，锁为代码块括号中填写的对象
指令实现
- 同步代码块通过
monitorenter和monitorexit两条指令控制同步代码块的访问 - 同步方法通过设置
ACC_SYNCHRONIZED标志符控制（也可以通过上述两条指令来实现）
所有Java对象都会有一个monitor，当monitor被持有后，对象就处于锁定状态。当执行到monitorenter指令时，线程会尝试获取对象的monitor，而执行monitorexit后会释放对象的monitor
Java SE 1.6为了降低锁的获取、释放造成的性能损耗，增加了偏向锁、轻量级锁。锁的级别由高到低依次为无锁状态、偏向锁、轻量级锁、重量级锁，锁可以升级，但不可以降级
偏向锁
内容
锁由同一线程多次获取时，会在对象头中记录线程ID，并在之后对同步块的访问时，不需要进行CAS操作来加锁、解锁。
Mark Word状态
Mark Word记录于对象头，存储对象的hashcode或锁信息
这里补充无锁状态的Mark Word状态
| 锁状态 | hashcode | 分代年龄 | 是否偏向锁 | 锁标志位 |
|---|---|---|---|---|
| 无锁状态 | 对象的hashcode | 对象分代年龄 | 0 | 01 |
偏向锁状态的Mark Word状态
| 锁状态 | Thread ID | epoch | 分代年龄 | 是否偏向锁 | 锁标志位 |
|---|---|---|---|---|---|
| 偏向锁 | 记录指向的线程id | epoch | 对象分代年龄 | 1 | 01 |
加锁与解锁
轻量级锁
内容
轻量级锁是通过自旋实现非阻塞同步，属于乐观锁，可以膨胀为重量级锁
Mark Word状态
| 锁状态 | 记录 | 锁标志位 |
|---|---|---|
| 轻量级锁 | 指向栈中锁记录的指针 | 00 |
加锁与解锁
加锁
解锁
重量级锁
内容
锁升级为重量级锁后，其他试图获取锁的线程均会被阻塞，等待持有锁的线程释放锁后，被唤醒的线程会开始竞争获取锁。
重量级锁是一种互斥锁，其依赖于对象内部的monitor锁实现，在操作系统层面是通过MutexLock实现的。虽然在阻塞时不需要耗费CPU资源，但是线程从阻塞状态唤醒需要操作系统完成状态转换（用户态到内核态），耗时较长。
Mark Word状态
| 锁状态 | 记录 | 锁标志位 |
|---|---|---|
| 重量级锁 | 指向互斥量（重量级锁）的指针 | 10 |
比较
对比表参考《Java并发编程的艺术》
| 锁 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 偏向锁 | 加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距 | 如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗 | 适用于只有一个线程访问同步块的场景 |
| 轻量级锁 | 非阻塞同步，提高程序响应速度 | 自旋消耗CPU资源 | 追求响应时间，同步方法执行速度较快 |
| 重量级锁 | 线程阻塞时不需要消耗CPU | 线程阻塞，响应时间缓慢 | 追求吞吐量，同步块执行时间较长 |
参考文章
- 《Java并发编程的艺术》2.2 synchronized的实现原理与应用
- 线程安全(上)--彻底搞懂synchronized(从偏向锁到重量级锁)
- Java并发编程：Synchronized底层优化（偏向锁、轻量级锁）
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