什么是锁

简单来说，现实世界常指用某种钥匙、密码或者电路对其他用具的封藏装置,以防被移走或者打开。
Java中的锁思想也是类似，指的是通过计算机中类似于“独一份”的钥匙来实现对资源的安全访问

Java中都有什么样的锁

Java中的锁.png

上锁态度

从对上锁态度这个角度来说的话，分为两类：悲观锁和乐观锁

悲观锁：认为当前场景写入较多，容易发生冲突，所以写入之前会先对数据加锁，这样别人要改必须block到我释放锁才行
乐观锁：认为当前场景写入较少，不易发生冲突，会先尝试去写入，如果失败，需要重新获取最新版本数据进行更新后写入

上锁顺序

从上锁顺序来讲的话，分为两类：公平锁和非公平锁

公平锁：等待获取锁的线程，如果按照排队顺序来获取锁
非公平锁：实际获锁顺序与排队顺序无关

上锁范围

从锁定范围上来划分，分为两类：互斥锁和共享锁

只block写的锁是读共享锁
读写都block是互斥锁，也叫和同步锁

上锁成本

从锁本身粒度上来划分，分为自旋锁、轻量级锁和重量级锁

自旋锁：为了让线程不释放CPU而执行一个慢循环
轻量级锁：基于CAS原子操作指令
重量级锁: 基于操作系统的互斥量

其他特性

可重入：已经获锁的线程可以在不释放的前提下继续获锁
可偏向：通过对象头markword标记，虚拟机可以不执行任何操作的情况下获锁

为什么用锁

本质通过一些标志位来完成对计算机资源的独占，从而保证临界区的数据安全

Java中如何使用锁

Java5之前，通过synchronized来完成同步
Java5之后提供了synchronized和Lock两种方式上锁

synchronized

Java5之前使用synchronized关键字来保证同步

作用于实例方法时，锁住的是对象的实例（this）
作用于静态方法时，锁住的是类实例Class，会锁所有调用该方法的线程
作用于对象实例时，锁住的是所有以该对象为锁的代码块

从上锁态度来看：悲观锁, 认为写冲突较高，所以操作之前先获取锁
从上锁顺序来看：非公平锁，等待获取锁的线程在锁可用时，谁先就绪就可以先获取到锁
从上锁范围来看：独占/互斥锁, 只允许当前线程进入临界区
从上锁代价来看：Java8 synchronized锁会从偏向 -> 轻量 -> 重量级的进行逐步升级上锁
从锁的特性来看：不可重入

举个栗子

package jdk;

public class SynchronizedExample {
    public static void main(String[] args) {
        synchronized(SynchronizedExample.class) {
            System.out.println("hello,SynchronizedExample");
        }
    }
}

编译之后字节码如下：

可以看到monitorenter和monitorexit的指令，分别代表进入监控和退出监控，可以理解为代码块执行前的加锁和退出同步块时的解锁，那么这两个指令具体底层干了什么？

线程执行monitorenter指令时，线程会为锁分配一个ObjectMonitor对象，对应JDK中objectMonitor.cpp文件（源码地址）

从分析源码可知，ObjectMonitor封装了线程信息和锁的相关信息，包含几个重要的属性

owner: 为当前持有锁的线程信息
waitSet:wait方法调用后的线程等待队列
cxq: 阻塞等待队列
entryList: 刚进来的排队队列流程如下：

内部原理流程图.png

底层是如何去实现

JDK1.5 synchronized是一个重量级锁，1.6之后开始对它进行优化，引入了偏向锁、轻量级锁和自旋锁的概念，上一节内部机制中提到synchronized的作用对象是对象实例和类对象，所以我们从对象入手，看其如何能实现互斥

JVM中，对象在内存中分为三块区域：对象头、实例数据和对齐填充：

对象头MarkWord：用于存储对象自身运行时的数据，如哈希码(hashcode),gc分代年龄、锁状态标识、偏向线程ID和偏向时间戳等信息，依旧对象的状态复用自己的存储空间，是实现轻量级锁和偏向锁的关键
类型指针：对象会指向它的类的元数据的指针，虚拟机通过这个指针确认这个对象是哪个类的实例，ArrayLength:如果对象是数组，用来记录数组长度
实例数据：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息。
对齐填充：由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐。

下面我们以32位对象头为例，展示对象头存储结构：

无锁状态下, 从1-25bit, 是对象的hashcode，26-29bit是分代年龄，30bit代表是否是偏向锁,31~32bit代表是当前锁状态
偏向锁状态下, 从1-23bit,线程id,24-25bit是锁时间戳epoch，26-29bit是分代年龄，30bit同上,31-32bit同上
轻量锁状态下, 从1-30bit,指向栈中锁记录的指针,31-32bit同上
轻量锁状态下, 从1-30bit,指向互斥量的指针,31-32bit同上
CG标记：前30位都是空，31-32bit同上

锁膨胀过程如下：

锁膨胀.drawio.png

JDK系列—聊聊java中的那些琐