三、共享模式之管程
1. 多线程共享的问题
临界资源是一次仅允许一个进程使用的共享资源。各进程采取互斥的方式，实现共享的资源称作临界资源。
临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区（criticalsection），每次只允许一个进程进入临界区，进入后，不允许其他进程进入。
简单来说当多个线程访问同一个资源，发生指令错乱时就会出现混乱。举个例子。同时对今天变量i，做自增（i++) 和自减（i--)，理论上是0，但是实际上科恩那个是正也可能是负。 由于自增，自减在指令层面不是原子操作，所以会导致结果错乱。
2. Synchronized关键字
2.1加锁：synchronized，Lock（或者原子变量）。加锁采用了互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住(blocked)。这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换
锁和锁要保护的资源是要对应的。这个指的是两点：①我们要保护一个资源首先要创建一把锁；②锁要锁对资源，即锁A应该用来保护资源A，而不能用它来锁资源B。
2.2synchronized语法
（1）最初版
共享变量
对象创建
synchronized(对象) // 线程1， 线程2(blocked)
{ 临界区处理共享变量 }
synchronized(对象) // 线程2， 线程1(blocked)
{ 临界区处理共享 }
这里的对象（锁）和临界区的代码是毫无关系。
（2）改为面向对象
可以把对象，共享变量，和临界区代码封装为一个类。（面向对象编程）
public void method() {
synchronized (this) {
value++;
}
}
共享变量的声明和对象创建，变为一步。
另外可以直接通过对象和其附属方法处理共享变量。
3. 方法上的 synchronized（语法的优化）和线程八锁分析（考察 synchronized 锁住的是哪个对象）
4. 变量的线程安全
（1）原则
如果它们没有共享，则线程安全
如果它们被共享了
--如果只有读操作，则线程安全
--如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全
（2）基本类型和引用类型
基本类型 a=1; b=‘c’;c=true
引用类型
（3）静态变量一般会考虑线程安全问题，多个类对象都有权限更改。
（4）成员变量则会有线程安全问题
（5）局部变量中引用成员变量，也会导致线程安全问题。举个例子。
开启多个线程同时运行，每个线程中的方法有自增，子减，在指令层面会错乱。
String Integer StringBuffer Random Vector Hashtable java.util.concurrent 包下的类。这里说它们是线程安全的是指，多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的。举个例子，线程1 调用put(); 于此同时，线程2调用put()。但是当出现实例的两个方法混用时，则不是线程安全的。
5. 习题分析
买票，针对一个共享变量。对临界区资源加锁。
转账，针对两个共享变量。通过对类加锁，来控制两个账户。
6. Monitor原理
6.1 Java的对象头的结构。
其中Mark Word记录了对象和锁有关的信息，当这个对象被synchronized关键字当成同步锁时，围绕这个锁的一系列操作都和Mark Word有关。Mark Word在32位JVM中的长度是32bit，在64位JVM中长度是64bit。
当对象处于不同的锁状态时，它的Mark Word里的东西会被替换成不同东西。
1、对象未加锁的时候，lock标志位为01，包含哈希值、年龄分代和偏向锁标志位等，此时偏向锁标志位为0；
2、当对象被施加偏向锁时，哈希值和一部分无用内存会转化为锁主人的线程信息，以及加锁的时间戳epoch，此时lock标志位没变，偏向锁为1，也就是说，偏向锁和lock标志位共同决定是否偏向锁状态。
3、当发生锁竞争时，偏向锁会变为轻量级锁，这时需要先将偏向锁进行锁撤销，这一步骤也会消耗不少的性能，轻量级锁的Mark Word中，lock标志位为00，其余内容被替换为一个指针（轻量级锁地址），指向了栈里面的锁记录
4、如果竞争线程增多，锁继续膨胀，变为重量级锁，也是互斥锁，即synchronized，其lock标志位为10，Mark Word其余内容被替换为一个指向对象监视器Monitor的指针（重量级锁地址）。特殊的是，如果此对象已经被GC标记过，lock会变为11，不含其余内容。
6.2 锁的原理
每个对象都有一个Monitor对象相关联，Monitor对象中记录了持有锁的线程信息、等待队列等。Monitor对象包含以下三个字段：
owner 记录当前持有锁的线程
EntryList 是一个队列，记录所有阻塞等待锁的线程
WaitSet 也是一个队列，记录调用 wait() 方法并还未被通知的线程
当线程持有锁的时候，线程id等信息会拷贝进owner字段，其余线程会进入阻塞队列entrylist，当持有锁的线程执行wait方法，会立即释放锁进入waitset，当线程释放锁的时候，owner会被置空，公平锁条件下，entrylist中的线程会竞争锁，竞争成功的线程id会写入owner，其余线程继续在entrylist中等待。
6.3总之
1. 偏向锁。对象头的mark word中可以保留线程名，说明该对象对该线程所有。
2. 轻量级锁。CAS交换（线程和对象头）。线程的LockRecord 记录的是MarkWord的值，对象头的MarkWord 记录的是LockRecord地址。两个主体。
3. 重量级锁。线程绑定了对象后，对象记录了锁地址，锁里面存的是线程。三个主体。
7. Synchronized原理（重量锁，轻量锁和偏向锁）
简单说，一个新建的对象一开始是不加锁，或者偏向锁状态。随着情况不同逐渐升级。
7.1 轻量级锁
场景： 多个线程对一个对象加锁，但是不存在竞争关系（比如时间上错开，一个白天，一个晚上）
创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程的栈帧都会包含一个锁记录对象，内部可以存储锁定对象的mark word（不再一开始就使用Monitor）。让锁记录中的Object reference指向锁对象（Object），并尝试用cas去替换Object中的mark word，将此mark word放入lock record中保存。
（1）如果cas替换成功，则将Object的对象头替换为锁记录的地址和状态 00（轻量级锁状态），并由该线程给对象加锁。
（2）如果 cas 失败，有两种情况。第一种是如果是自己执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数【锁重入】。第一种是如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程【锁膨胀】。
7.2 锁重入
场景： 同一个线程对同一个对象多次加锁
（1）当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一
（2）当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头。成功，则解锁成功；失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程。
7.3 锁膨胀
场景：一个线程已经对共享对象加了轻量级锁，与此同时另外一个线程也需要此对象。此时存在竞争关系，后面的线程就需要升级锁。
（1）当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁
（2）Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程。即为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址。然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED。
当然，Thread-0 退出同步块解锁时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，失败。这时会进入重量级解锁流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程。
7.4 自旋优化
场景：重量级锁竞争时，还可以使用自选来优化，如果当前线程在自旋成功（使用锁的线程退出了同步块，释放了锁），这时就可以避免线程进入阻塞状态。自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。
7.5 偏向锁
轻量级锁在没有竞争时，每次重入（该线程执行的方法中再次锁住该对象）操作仍需要cas替换操作，这样是会使性能降低的。所以引入了偏向锁对性能进行优化：在第一次cas时会将线程的ID写入对象的Mark Word中。此后发现这个线程ID就是自己的，就表示没有竞争，就不需要再次cas，以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有。
（1）偏向状态
Normal：一般状态，没有加任何锁，前面62位保存的是对象的信息，最后2位为状态（01），倒数第三位表示是否使用偏向锁（未使用：0）
Biased：偏向状态，使用偏向锁，前面54位保存的当前线程的ID，最后2位为状态（01），倒数第三位表示是否使用偏向锁（使用：1）
Lightweight：使用轻量级锁，前62位保存的是锁记录的指针，最后两位为状态（00）
Heavyweight：使用重量级锁，前62位保存的是Monitor的地址指针，后两位为状态(10)
（2）偏向操作
如果开启了偏向锁（默认开启），在创建对象时，对象的Mark Word后三位应该是101
但是偏向锁默认是有延迟的，不会再程序一启动就生效，而是会在程序运行一段时间（几秒之后），才会对创建的对象设置为偏向状态
如果没有开启偏向锁，对象的Mark Word后三位应该是001
（3）撤销偏向
调用对象的hashCode方法，调用了对象的 hashCode，但偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id，如果调用 hashCode 会导致偏向锁被撤销
多个线程使用该对象，当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁
调用了wait/notify方法（调用wait方法会导致锁膨胀而使用重量级锁）
（4）批量重偏向
如果对象虽然被多个线程访问，但是线程间不存在竞争，这时偏向T1的对象仍有机会重新偏向T2重偏向会重置Thread ID
当撤销超过20次后（超过阈值），JVM会觉得是不是偏向错了，这时会在给对象加锁时，重新偏向至加锁线程。
（5）批量撤销
当撤销偏向锁的阈值超过40以后，就会将整个类的对象都改为不可偏向的
7.6 锁消除
锁消除和锁粗化
8. Wait/Notify
8.1 原理
8.2 Wait与Sleep的区别
（1）不同点
Sleep是Thread类的静态方法，Wait是Object的方法，Object又是所有类的父类，所以所有类都有Wait方法。
Sleep在阻塞的时候不会释放锁，而Wait在阻塞的时候会释放锁。或者说Sleep只是释放CPU资源，并不会释放内存资源。而wait 则是和内存相关。
Sleep不需要与synchronized一起使用，而Wait需要与synchronized一起使用（对象被锁以后才能使用）
（2）相同点
阻塞状态都为TIMED_WAITING
8.3 优雅地使用wait/notify
当线程不满足某些条件，需要暂停运行时，可以使用wait。这样会将对象的锁释放，让其他线程能够继续运行。如果此时使用sleep，会导致所有线程都进入阻塞，导致所有线程都没法运行，直到当前线程sleep结束后，运行完毕，才能得到执行。
当有多个线程在运行时，对象调用了wait方法，此时这些线程都会进入WaitSet中等待。如果这时使用了notify方法，可能会造成虚假唤醒（唤醒的不是满足条件的等待线程），这时就需要使用notifyAll方法
