整理一些学习Java锁的笔记。

一、volatile和synchronized

1、volatile关键字

1.1 要点

• 保证可见性
• 禁止指令重排
• 特殊情况下可以保证原子性（i++这种情况，要分条才能保证一致性），理解不深入不要答

1.2 如何保证可见性

• 可见性，指让其他线程可见：多个线程修改同一个变量，一个线程修改完的结果要让其他线程知道；
• 线程提交修改，推到主存到总线的过程中，其他cpu嗅探总线的数据流通：通过嗅探，在缓存一致性协议的保证下，能嗅探到修改，如果自己的缓存中有这条数据，则置为不可用，有线程需要读则从主存中拉取最新值，更新到缓存中
• cpu如何知道总线上这个变量是volatile？汇编指令码中会加入lock指令，lock两层含义：1将这条指令推到主存，2lock指令过总线时其他cpu会嗅探带lock的汇编指令、置其他缓存行为不可用
• 嗅探，协议，lock指令

1.3 如何禁止指令重排

• 在编译阶段，即在编译指令
• volatile写前，加入store-store屏障，写写不能重排；volatile写后，加入store-load屏障，写读不能重排；volatile读后，加入load-load屏障，读读不能重排；volatile读后，还要加入load-store屏障，读写不能重排（开销大，目前都不会使用单独的load-store）

1.4 i++为什么不能保证原子性

• i = i + 1，是三条jvm指令码：i load 读取，i add 加，i store 写入，单独一条才可以保证原子性，

2、synchronized关键字

• 作用到代码块、普通方法、静态方法
• 作用到静态方法时，锁的是当前的class：不创建新对象
• 普通方法，锁在当前对象
• 同步代码块：可以指定锁，

3、volatile与synchronized的区别

场景：student类，一个变量int age，对age写了get set方法，现在要同步加锁，以下两种方法都能保证数据安全性：

• 方法一：将age用volatile修饰，get set不处理
• 方法二：age不用修饰，对get set方法加synchronized

问题：

• 对于读多写少的情况，选哪个比较快？volatile，修改少的话，线程可以直接从自己的缓存中拿数返回，非常快。
• 读少写多。volatile慢了，cpu需要嗅探、置当前缓存中不可用、频繁去主存读数，损耗总线资源

在多线程环境下，重量级锁可以提高程序的吞吐量

二、lock

1、synchronized与lock的区别

层面	synchronized	lock
基本使用层面	是关键字	接口，要new出子类
隐式加锁	显式加锁
作用到方法和代码块上	只能作用到代码块上：try加锁，finally释放
加锁方式		非阻塞加锁，可超时加锁，可中断式的加锁
底层	对象监视器	aqs
一个同步队列，一个等待队列	一个同步队列，多个等待队列
锁竞争	非公平锁	公平锁，非公平锁
等待唤醒机制	与object配合	与condition接口配合
个性化定制		aqs是自己封装的，使用模版方法模式，可以重写很多方法readwritelock：支持并发读

2、lock接口的方法与实现类

2.1 方法

• lock方法，普通加锁方法；
• unlock，释放；
• try lock，非阻塞加锁；
• try lock加时间，超时非阻塞加锁；
• lock interrupt，可中断加锁；
• 配合lock使用的condition，完成通知机制

2.2 实现类

reentrantlock，reentrantreadwritelock，

3、作用域

• synchronized作用在静态方法和普通方法的区别：静态锁当前class，普通方法是当前类的对象，作用在代码块上可以用this或new object
• synchronized加在代码块上和加在方法上，对于反编译后有什么区别：对于代码块加锁，反编译后需要代码块进入点monitor entry，代码块出点monitor exit、正常出口和异常的出口；对于加到方法上，在方法的flag（访问标志）里加入acc_synchronized
• lock.lock时，是自己写的方法，和monitor不一样

4、加锁方式

4.1 非阻塞加锁

• try lock，try lock with time
• 好处：没有获得锁就不需要线程上下文切换，

4.2 超时加锁

• try lock with time，避免死锁发生

4.3 可中断

• lock.interrupt，synchronized做不到

5、底层原理

5.1 syn

• monitor：线程获取锁失败时进入同步队列entrylist，等待当前线程释放唤醒它；执行过程中调用wait释放锁后，进入waitset等待队列
• lock：aqs，通过int state判断锁是否被持有，被持有则加入双端队列尾部；可能有多条线程竞争失败加入队尾，此时aqs使用cas加锁，

6、同步队列与等待队列

lock中有多个等待队列

7、锁的竞争

• 如果abc竞争锁，a成功，bc失败加入队列，a释放锁后：b开始与新来的线程竞争锁、此时为非公平锁，新线程直接加入队尾、此时为公平锁
• 线程饥饿问题：非公平锁下，b可能一直等待

8、等待唤醒机制

• lock condition，与syn相似，名字不同，condition中叫await和signal
• condition中线程调用wait后去哪了？被加入condition中的等待队列，不用使用cas，因为线程调用wait之前先会加入队列、此时仍然持有当前锁、没有其他线程竞争尾节点，加完调用wait
• wait后，加入等待队列，到头部时被唤醒，进行竞争，竞争失败后加入同步队列，cas加，排队到头部被唤醒，判断是否公平，获取锁，到wait方法再执行

9、个性化定制

• 模版方法：acquire获取锁，acquire shared，acquire interrupt，acquire shared interrupt，try acquire nanonse？，try acquire shared nanose？，
• 可以复写的方法：try acquire，try acquire shared，try release，try release share

10、reentrantlock

• 只能读读并发，读写、写读、写写都不行
• 通过一个int控制，高16位读、低16位写：读的时候检查低16位有无，无则读；写的时候都检查，全无才写

三、锁升级（32位jvm虚拟机为例）

1、对象头部

• 25位hashcode，4位分代年龄，1位偏向锁标记位，2位锁标记位
• 当没有调用Object.hashcode()时，25位hashcode不存在，以0占位
• 调用复写的hashcode不会产生25位hashcode，只有obejct

2、无锁升级为偏向锁

• 无锁状态且25位hashcode为空，也就是说如果创建对象时调用hashcode()、对象头中25位hashcode有值，则不能使用偏向锁；
• 偏向锁要把线程ID 23位 + Epoch 2位放到25位的hashcode上，他的逻辑里不允许覆盖hashcode
• 是否为偏向锁，从0变成1，
• 锁标记位从00变成11
• 好处：再次加锁时，检查线程Id是不是自己线程的Id即可，不用检查锁是否释放、是否竞争、挂起之类的

3、偏向锁升级为轻量级锁

3.1 升级过程（竞争环境下偏向锁不一定升级为轻量级锁）

• 线程A将ID放入，线程B进入，检查锁标记位是否为偏向锁、当前是，B检查A的存活状态，A如果没有执行同步代码、B则直接置对象为无锁状态然后争抢；

• B抢到则放入自己的ID、即现在偏向锁偏向B，B没抢到C抢到了将对象置为偏向C的状态同时开始执行，即出现B在争抢而C在执行，B发起偏向锁撤销操作，但此时需要等待C到达安全点；

• C到达安全点后，C的栈会被遍历记录锁，有三种情况：1 升级为轻量级锁、将锁标记位置为00，2 变成偏向锁偏向B，3 将对象置为不可使用偏向锁；

  • 升级为轻量级锁理解为无锁状态？因为只改了标记位，没有添加指向栈中锁记录的指针
  • 重新偏向B？批量重偏向和批量撤销，jvm有配置这里的批量操作阈值是20，如果B操作了很多对象进行上述操作2，就会触发批量重偏向；
  • 批量撤销，直接置为00，即上述操作3，阈值是40

3.2 轻量级锁

• A抢到后，将除锁标志位以外的30位直接复制到自己栈的lock record，并将对象的30位改成指向自己lock record的指针
• B争抢发现对象头的30位存的是上述指针后，循环10次cas，仍然失败，升级

4、轻量级锁升级为重量级锁

• cas失败后，会将轻量级锁的指针直接替换为重量级锁，即指向Object monitor
• 但此时A还在执行，当释放时会将lock record通过cas替换回去，此时发现替换失败，则走重量级锁退出逻辑：将lock record放入monitor，并将monitor里的own变量设置为自己，保证对象头不丢失

5、上述几种状态的图

锁状态	25bit	4bit	1bit	2bit
23bit	2bit	是否是偏向锁	锁标志位
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针（当前线程会直接把这里的内容拷贝到自己的栈里）	0
重量级锁	指向互斥量（重量级锁）的指针	10
GC标记	空	11
偏向锁	线程ID	Epoch	对象分代年龄	1	1