【锁】synchronized的实现（偏向锁、轻量级锁、重量级锁）

synchronized的三种应用方式

一. 修饰实例方法，作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁。
二. 修饰静态方法，作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁。
三. 修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象。

synchronized的字节码指令

synchronized同步块使用了monitorenter和monitorexit指令实现同步，这两个指令，本质上都是对一个对象的监视器(monitor)进行获取，这个过程是排他的，也就是说同一时刻只能有一个线程获取到由synchronized所保护对象的监视器。

线程执行到monitorenter指令时，会尝试获取对象所对应的monitor所有权，也就是尝试获取对象的锁，而执行monitorexit，就是释放monitor的所有权。

synchronized的锁的原理

两个重要的概念：一个是对象头，另一个是monitor。

Java对象头

在Hotspot虚拟机中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头（Mark Word、Class Metadata Address）、实例数据和对齐填充；Java对象头是实现synchronized的锁对象的基础。一般而言，synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里。它是轻量级锁和偏向锁的关键。

Mark Word
Mark Word用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的
锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等等。Java对象头一般占有两个机器码（在32位虚拟机中，1个机器码等于4字节，
也就是32bit）。

32位JVM的Mark Word的默认存储结构如下：

	25 bit	4bit	1bit 是否是偏向锁	2bit 锁标志位
无锁状态	对象的hashCode	对象分代年龄	0	01

Class Metadata Address
类型指针，即是对象指向它的类的元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

Array length
如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据。

Monitor

Monitor是一个同步工具，它内置于每一个Object对象中，相当于一个许可证。拿到许可证即可以进行操作，没有拿到则需要阻塞等待。

在hotspot虚拟机中，通过ObjectMonitor类来实现monitor。

synchronized锁的优化

jdk1.6以后对synchronized的锁进行了优化，引入了偏向锁、轻量级锁，锁的级别从低到高逐步升级：

无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁

自旋锁与自适应自旋

线程的挂起和恢复会极大的影响开销。并且jdk官方人员发现，很多线程在等待锁的时候，在很短的一段时间就获得了锁，所以它们在线程等待的时候，并不需要把线程挂起，而是让他无目的的循环，一般设置10次。这样就避免了线程切换的开销，极大的提升了性能。

而适应性自旋，是赋予了自旋一种学习能力，它并不固定自旋10次一下。他可以根据它前面线程的自旋情况，从而调整它的自旋，甚至是不经过自旋而直接挂起。

锁消除

对不会存在线程安全的锁进行消除。

锁粗化

如果jvm检测到有一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把锁粗化到整个操作外部，如循环体。

偏向锁

多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让其获得锁的代价更低而引入了偏向锁。

当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。
如果测试成功，表示线程已经获得了锁。
如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成01（表示当前是偏向锁）。
如果没有设置，则使用CAS竞争锁。
如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

轻量级锁

引入轻量级锁的主要目的是在多线程竞争不激烈的情况下，通过CAS竞争锁，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。

轻量级锁的执行过程：在代码进入同步块的时候，如果同步对象没有被锁定,虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间,用于存储对象目前Mark Word的拷贝，这时候线程堆栈与对象头的状态如图所示：

然后虚拟机将使用CAS操作尝试将对象头中的Mark Word 更新为指向当前线程Lock Record的指针，如果这个更新执行成功了，那么这个线程就拥有了这个对象的锁，并且将Mard Word中的标记位改为00，即表示该对象处于轻量级锁状态，这时候线程堆和对象头的状态如图所示：

如果这个状态更新失败了，虚拟机将会检查对象中的Mark Word 是否指向当前线程的栈帧，如果是直接进入同步代码块执行，如果不是说明有线程竞争。如果有两条以上的线程在抢占资源，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁的状态更改为10， Mard Word中存储的就是指向重量级锁的指针后面等待的锁就要进入阻塞状态。

重量级锁

重量级锁通过对象内部的监视器（monitor）实现，其中monitor的本质是依赖于底层操作系统的Mutex Lock实现，操作系统实现线程之间的切换需要从用户态到内核态的切换，切换成本非常高。

锁升级

偏向锁升级轻量级锁：当一个对象持有偏向锁，一旦第二个线程访问这个对象，如果产生竞争，偏向锁升级为轻量级锁。
轻量级锁升级重量级锁：一般两个线程对于同一个锁的操作都会错开，或者说稍微等待一下（自旋），另一个线程就会释放锁。但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁膨胀为重量级锁，重量级锁使除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞，防止CPU空转。

wait和notify的原理

调用wait方法，首先会获取监视器锁，获得成功以后，会让当前线程进入等待状态，进入等待队列并且释放锁。

当其他线程调用notify后，会选择从等待队列中唤醒任意一个线程，而执行完notify方法以后，并不会立马唤醒线程，原因是当前的线程仍然持有这把锁，处于等待状态的线程无法获得锁。必须要等到当前的线程执行完按monitorexit指令以后，也就是锁被释放以后，处于等待队列中的线程就可以开始竞争锁了。

wait和notify为什么需要在synchronized里面？

wait方法的语义有两个，一个是释放当前的对象锁、另一个是使得当前线程进入阻塞队列，而这些操作都和监视器是相关的，所以wait必须要获得一个监视器锁。

而对于notify来说也是一样，它是唤醒一个线程，既然要去唤醒，首先得知道它在哪里，所以就必须要找到这个对象获取到这个对象的锁，然后到这个对象的等待队列中去唤醒一个线程。

锁的优缺点对比

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场景
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度	如果始终得不到锁竞争的线程使用自旋会消耗CPU	追求响应时间,锁占用时间很短
重量级锁	线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU	线程阻塞，响应时间缓慢	追求吞吐量,锁占用时间较长

参考自：

　　https://blog.csdn.net/u011212394/article/details/82228321

　　https://www.cnblogs.com/wade-luffy/p/5969418.html
　　https://blog.csdn.net/sinat_41832255/article/details/89309944