Java线程同步与锁

一、synchronized　　

　　synchronized锁什么？锁对象。可能锁对象包括： this，临界资源对象，Class类对象。

1，同步方法

　　synchronized T methodName(){}

　　同步方法锁定的是当前对象。当多线程通过同一个对象引用多次调用当前同步方法时，需同步执行。

2，同步代码块　　　　

　　T methodName(){ synchronized(this){} } 或 T methodName(){ synchronized(object){} }

　　当锁定对象为this时，相当于同步方法，锁定object对象时，当多个线程调用同一个方法时，锁定对象不变的情况下，需同步执行。

　　同步代码块的同步粒度更加细致，是商业开发中推荐的编程方式。可以定位到具体的同步位置，而不是简单的将方法整体实现同步逻辑。在效率上，相对更高。

二、锁的原理

　　Java 虚拟机中的同步(Synchronization)基于进入和退出管程(Monitor)对象实现。同步方法并不是由 monitor enter 和 monitor exit 指令来实现同步的，而是由方法调用指令读取运行时常量池中方法的 ACC_SYNCHRONIZED 标志来隐式实现的。

　　对象头：存储对象的hashCode、锁信息或分代年龄或GC标志，类型指针指向对象的类元数据，JVM通过这个指针确定该对象是哪个类的实例等信息。

　　实例变量：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息

　　填充数据：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

　　当在对象上加锁时，数据是记录在对象头中。当执行synchronized同步方法或同步代码块时，会在对象头中记录锁标记，锁标记指向的是monitor对象（也称为管程或监视器锁）的起始地址。每个对象都存在着一个 monitor 与之关联，对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式，如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态。

　　在Java虚拟机(HotSpot)中，monitor是由ObjectMonitor实现的。

　　ObjectMonitor中有两个队列，_WaitSet 和 _EntryList，以及_Owner标记。其中_WaitSet是用于管理等待队列(wait)线程的，_EntryList是用于管理锁池阻塞线程的，_Owner标记用于记录当前执行线程。线程状态图如下：

　　当多线程并发访问同一个同步代码时，首先会进入_EntryList，当线程获取锁标记后，monitor 中的_Owner 记录此线程，并在monitor 中的计数器执行递增计算（+1），代表锁定，其他线程在_EntryList 中继续阻塞。若执行线程调用wait 方法，则monitor 中的计数器执行赋值为0 计算，并将_Owner 标记赋值为null，代表放弃锁，执行线程进如_WaitSet 中阻塞。若执行线程调用notify/notifyAll 方法，_WaitSet 中的线程被唤醒，进入_EntryList 中阻塞，等待获取锁标记。若执行线程的同步代码执行结束，同样会释放锁标记，monitor 中的_Owner标记赋值为null，且计数器赋值为0 计算。

三、锁的种类

　　Java 中锁的种类大致分为偏向锁，自旋锁，轻量级锁，重量级锁。

　　锁的使用方式为：先提供偏向锁，如果不满足的时候，升级为轻量级锁，再不满足，升级为重量级锁。自旋锁是一个过渡的锁状态，不是一种实际的锁类型。锁只能升级，不能降级。

1，偏向锁

　　是一种编译解释锁。如果代码中不可能出现多线程并发争抢同一个锁的时候，JVM 编译代码，解释执行的时候，会自动的放弃同步信息。消除synchronized 的同步代码结果。使用锁标记的形式记录锁状态。在Monitor 中有变量ACC_SYNCHRONIZED。当变量值使用的时候，代表偏向锁锁定。可以避免锁的争抢和锁池状态的维护。提高效率。

2，自旋锁

　　是一个过渡锁，是偏向锁和轻量级锁的过渡。

　　当获取锁的过程中，未获取到。为了提高效率，JVM自动执行若干次空循环，再次申请锁，而不是进入阻塞状态的情况。称为自旋锁。自旋锁提高效率就是避免线程状态的变更。

3，轻量级锁

　　过渡锁。当偏向锁不满足，也就是有多线程并发访问，锁定同一个对象的时候，先提升为轻量级锁。也是使用标记ACC_SYNCHRONIZED标记记录的。ACC_UNSYNCHRONIZED标记记录未获取到锁信息的线程。就是只有两个线程争抢锁标记的时候，优先使用轻量级锁。两个线程也可能出现重量级锁。

4，重量级锁

　　上述原理图中解释的就是重量级锁。

四、volatile

　　变量的线程可见性。在CPU计算过程中，会将计算过程需要的数据加载到CPU计算缓存中，当CPU计算中断时，有可能刷新缓存，重新读取内存中的数据。在线程运行的过程中，如果某变量被其他线程修改，可能造成数据不一致的情况，从而导致结果错误。而volatile修饰的变量是线程可见的，当JVM解释volatile修饰的变量时，会通知CPU，在计算过程中，每次使用变量参与计算时，都会检查内存中的数据是否发生变化，而不是一直使用CPU缓存中的数据，可以保证计算结果的正确。

　　volatile只是通知底层计算时，CPU检查内存数据，而不是让一个变量在多个线程中同步。

五、原子类型

　　Java中原子类型长以AtomicXxx形式命名。

　　在concurrent.atomic包中定义了若干原子类型，这些类型中的每个方法都是保证了原子操作的。多线程并发访问原子类型对象中的方法，不会出现数据错误。在多线程开发中，如果某数据需要多个线程同时操作，且要求计算原子性，可以考虑使用原子类型对象。

　　注意：原子类型中的方法是保证了原子操作，但多个方法之间是没有原子性的。如：

　　AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);

　　if(i.get() != 5) i.incrementAndGet();

　　在上述代码中，get方法和incrementAndGet方法都是原子操作，但复合使用时，无法保证原子性，仍旧可能出现数据错误。

六、CountDownLatch门闩

　　门闩是concurrent包中定义的一个类型，是用于多线程通讯的一个辅助类型。

　　门闩相当于在一个门上加多个锁，当线程调用await方法时，会检查门闩数量，如果门闩数量大于0，线程会阻塞等待。当线程调用countDown时，会递减门闩的数量，当门闩数量为0时，await阻塞线程可执行。

七、ReentrantLock

　　在Java中，同步锁是可以重入的。只有同一线程调用同步方法或执行同步代码块，对同一个对象加锁时才可重入。

　　当线程持有锁时，会在monitor的计数器中执行递增计算，若当前线程调用其他同步代码，且同步代码的锁对象相同时，monitor中的计数器继续递增。每个同步代码执行结束，monitor中的计数器都会递减，直至所有同步代码执行结束，monitor中的计数器为0时，释放锁标记，_Owner标记赋值为null。

　　重入锁，建议应用的同步方式。相对效率比synchronized高。量级较轻。

　　synchronized在JDK1.5版本开始，尝试优化。到JDK1.7版本后，优化效率已经非常好了。在绝对效率上，不比reentrantLock差多少。

　　使用重入锁，必须必须必须手工释放锁标记。一般都是在finally代码块中定义释放锁标记的unlock方法。