java互斥锁的实现原理_java-深入分析synchronized原理

互斥锁

互斥锁futex，全拼fast userspace mutexes，直翻为快速用户空间互斥器，它是我们上层应用实现锁的最常用方法。futex是一块所有进程都可以访问的内存，是通过cpu的原子操作修改内存中的值来尝试获取琐，如果没有竞争，则直接在用户空间完成操作，无需切换内核空间，以此保证了futex的性能。

synchronized

其实java多线程操作大体就那么几种，基于cas的aqs，synchronized和volatile，这篇文章主要介绍下synchronized。

synchronized是java的关键字，在老版本的jdk中性能表现并不太好，所以有了很多基于cas的Lock，但最近几版jdk都对synchronized做了很多优化，以后synchronized也会作为jdk主推的锁。

synchronized最主要的优化就是引入了升级功能，升级主要分偏向锁、轻量级锁、重量级锁。

synchronized因为有升级和降级，既不会直接粗暴的使用互斥锁，也不会有cas锁在超高并发下多次尝试引起的性能问题，所以相比juc的cas锁，synchronized在大多数情况下性能更好。

synchronized的使用方法主要有3种

//加锁到静态方法上

public static synchronized void test();

//加锁到实例方法上

public synchronized void test();

//加锁到对象上

synchronized(this){

}

// 加锁在静态方法上同加锁到类对象上

synchronized(Test.class){

}

// 加锁到实例方法上同加锁到当前对象上

synchronized(this){

}

总体上说，不管是锁类对象，还是锁其它对象都是锁到一个对象上了。

这张图很重要，在下面会多次用到，就先放这里了。

偏向锁

java为了支持锁对象，在对象头上做了上图的设计，markword是对象头中的一部分，64位虚拟机占64bit，markword在不同等级锁状态下存储的内容是不同的，上图是锁处于不同状态时markword存储的内容。

其实经过大量测试在我们使用synchronized时，大多数情况并没有发生竞争，很多访问都发生在一个线程里，所以设计了偏向锁，偏向锁的意思就是锁偏向某个线程。

当我们尝试给一个对象加锁时，会有几种情况。

未偏向：如果lock为01时，biased_lock为0，表示没有线程持有这个对象的偏向锁，线程会通过cas的方式修改对象头获取偏向锁。

可重偏向：如果lock为01时，biased_lock为1，表示对象被偏向锁定，这时还会拿epoch与klass(可以理解为某个Class在虚拟机中对应的对象)的mark_prototype的epoch作比较，如果不一致表示可重偏向，线程会通过cas的方式修改对象头获取偏向锁。

已偏向：lock为01，biased_lock为1，epoch与mark_prototype的epoch相等表示锁已偏向，会比较thread字段的threadId，如果一致表示持有锁的是当前线程，可以重入。

如果没有获取到偏向锁，就需要进行一个撤销偏向锁并升级偏向锁的过程，这个过程比较消耗性能，所以当某类对象，比如我们的User.class这个对象的实例有很多次撤销(默认值为40)，虚拟机就会更新klass的epoch，表示可重偏向，这就是为啥锁的是对象，判断epoch是去klass判断。

轻量锁

当未获取到偏向锁时，需要通知持有偏向锁的线程撤销偏向锁，竞争线程则进行一个轻量级锁加锁的过程。

偏向锁的撤销：持有锁的线程进入safepoint时，判断持有锁的线程是否在加锁状态，如果是则直接修改markword为轻量级锁，否则释放偏向锁，表示未锁定、

轻量级锁加锁：虚拟机会在当前线程的栈帧中创建一个lock record，并拷贝markword到lockrecord，再通过cas把对象的markword改为偏向锁，ptr_to_lock_record指向lockrecord，如果cas成功则表示成功获取轻量级锁，否则进行自旋尝试，就是常说的自旋锁。

轻量级锁释放：轻量级锁释放时，只要把lockrecord中的markword替换回对象头的markword就释放成功了。

重量级锁

当自旋尝试次数超过阈值(jvm控制的动态值)，锁就会进一步升级，升级为重量级锁。

升级为重量锁后，线程就会出现等待、阻塞、唤醒等各种操作，就会涉及到用户态和内核态的切换，所以叫重量级锁，重量级锁的实现就是文中最开始提到的futex互斥锁实现的。

重量级锁既然需要线程的管理机制，自然引入了管程(monitor)，java的管程模式类似mesa。