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锁原理
Monitor
Monitor 被翻译为监视器或管程
每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，Monitor 也是 class，其实例存储在堆中，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的 Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针，这就是重量级锁
- Mark Word 结构：最后两位是锁标志位
- 64 位虚拟机 Mark Word：
工作流程：
- 开始时 Monitor 中 Owner 为 null
- 当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-2，Monitor 中只能有一个 Owner，obj 对象的 Mark Word 指向 Monitor，把对象原有的 MarkWord 存入线程栈中的锁记录中（轻量级锁部分详解）
- 在 Thread-2 上锁的过程，Thread-3、Thread-4、Thread-5 也执行 synchronized(obj)，就会进入 EntryList BLOCKED（双向链表）
- Thread-2 执行完同步代码块的内容，根据 obj 对象头中 Monitor 地址寻找，设置 Owner 为空，把线程栈的锁记录中的对象头的值设置回 MarkWord
- 唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争是非公平的，如果这时有新的线程想要获取锁，可能直接就抢占到了，阻塞队列的线程就会继续阻塞
- WaitSet 中的 Thread-0，是以前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程（wait-notify 机制）
注意：
- synchronized 必须是进入同一个对象的 Monitor 才有上述的效果
- 不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则
字节码
代码：
public static void main(String[] args) {
Object lock = new Object();
synchronized (lock) {
System.out.println("ok");
}
}
0: new #2 // new Object
3: dup
4: invokespecial #1 // invokespecial <init>:()V，非虚方法
7: astore_1 // lock引用 -> lock
8: aload_1 // lock （synchronized开始）
9: dup // 一份用来初始化，一份用来引用
10: astore_2 // lock引用 -> slot 2
11: monitorenter // 【将 lock对象 MarkWord 置为 Monitor 指针】
12: getstatic #3 // System.out
15: ldc #4 // "ok"
17: invokevirtual #5 // invokevirtual println:(Ljava/lang/String;)V
20: aload_2 // slot 2(lock引用)
21: monitorexit // 【将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList】
22: goto 30
25: astore_3 // any -> slot 3
26: aload_2 // slot 2(lock引用)
27: monitorexit // 【将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList】
28: aload_3
29: athrow
30: return
Exception table:
from to target type
12 22 25 any
25 28 25 any
LineNumberTable: ...
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 31 0 args [Ljava/lang/String;
8 23 1 lock Ljava/lang/Object;
说明：
- 通过异常 try-catch 机制，确保一定会被解锁
- 方法级别的 synchronized 不会在字节码指令中有所体现
锁升级
升级过程
synchronized 是可重入、不公平的重量级锁，所以可以对其进行优化
无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁 // 随着竞争的增加，只能锁升级，不能降级
偏向锁
偏向锁的思想是偏向于让第一个获取锁对象的线程，这个线程之后重新获取该锁不再需要同步操作：
- 当锁对象第一次被线程获得的时候进入偏向状态，标记为 101，同时使用 CAS 操作将线程 ID 记录到 Mark Word。如果 CAS 操作成功，这个线程以后进入这个锁相关的同步块，查看这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，就不需要再进行任何同步操作
- 当有另外一个线程去尝试获取这个锁对象时，偏向状态就宣告结束，此时撤销偏向（Revoke Bias）后恢复到未锁定或轻量级锁状态
一个对象创建时：
- 如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，MarkWord 值为 0x05 即最后 3 位为 101，thread、epoch、age 都为 0
- 偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，可以加 VM 参数
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0来禁用延迟。JDK 8 延迟 4s 开启偏向锁原因：在刚开始执行代码时，会有好多线程来抢锁，如果开偏向锁效率反而降低 - 当一个对象已经计算过 hashCode，就再也无法进入偏向状态了
- 添加 VM 参数
-XX:-UseBiasedLocking禁用偏向锁
撤销偏向锁的状态：
- 调用对象的 hashCode：偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id，调用 hashCode 导致偏向锁被撤销
- 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 wait/notify，需要申请 Monitor，进入 WaitSet
批量撤销：如果对象被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象的 Thread ID
- 批量重偏向：当撤销偏向锁阈值超过 20 次后，JVM 会觉得是不是偏向错了，于是在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程
- 批量撤销：当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，JVM 会觉得自己确实偏向错了，根本就不该偏向，于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的
轻量级锁
一个对象有多个线程要加锁，但加锁的时间是错开的（没有竞争），可以使用轻量级锁来优化，轻量级锁对使用者是透明的（不可见）
可重入锁：线程可以进入任何一个它已经拥有的锁所同步着的代码块，可重入锁最大的作用是避免死锁
轻量级锁在没有竞争时（锁重入时），每次重入仍然需要执行 CAS 操作，Java 6 才引入的偏向锁来优化
锁重入实例：
static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 A
method2();
}
}
public static void method2() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 B
}
}
- 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的结构，存储锁定对象的 Mark Word
- 让锁记录中 Object reference 指向锁住的对象，并尝试用 CAS 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录
- 如果 CAS 替换成功，对象头中存储了锁记录地址和状态 00（轻量级锁） ，表示由该线程给对象加锁
- 如果 CAS 失败，有两种情况：
- 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
- 如果是线程自己执行了 synchronized 锁重入，就添加一条 Lock Record 作为重入的计数
- 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 1
- 如果锁记录的值不为 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
锁膨胀
在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，可能是其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁
- 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
- Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程：为 Object 对象申请 Monitor 锁，通过 Object 对象头获取到持锁线程，将 Monitor 的 Owner 置为 Thread-0，将 Object 的对象头指向重量级锁地址，然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED
- 当 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
锁优化
自旋锁
重量级锁竞争时，尝试获取锁的线程不会立即阻塞，可以使用自旋（默认 10 次）来进行优化，采用循环的方式去尝试获取锁
注意：
- 自旋占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费时间，因为同一时刻只能运行一个线程，多核 CPU 自旋才能发挥优势
- 自旋失败的线程会进入阻塞状态
优点：不会进入阻塞状态，减少线程上下文切换的消耗
缺点：当自旋的线程越来越多时，会不断的消耗 CPU 资源
自旋锁情况：
- 自旋成功的情况：
- 自旋失败的情况：
自旋锁说明：
- 在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，比较智能
- Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能，由 JVM 控制
//手写自旋锁
public class SpinLock {
// 泛型装的是Thread，原子引用线程
AtomicReference<Thread> atomicReference = new AtomicReference<>();
public void lock() {
Thread thread = Thread.currentThread();
System.out.println(thread.getName() + " come in");
//开始自旋，期望值为null，更新值是当前线程
while (!atomicReference.compareAndSet(null, thread)) {
Thread.sleep(1000);
System.out.println(thread.getName() + " 正在自旋");
}
System.out.println(thread.getName() + " 自旋成功");
}
public void unlock() {
Thread thread = Thread.currentThread();
//线程使用完锁把引用变为null
atomicReference.compareAndSet(thread, null);
System.out.println(thread.getName() + " invoke unlock");
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SpinLock lock = new SpinLock();
new Thread(() -> {
//占有锁
lock.lock();
Thread.sleep(10000);
//释放锁
lock.unlock();
},"t1").start();
// 让main线程暂停1秒，使得t1线程，先执行
Thread.sleep(1000);
new Thread(() -> {
lock.lock();
lock.unlock();
},"t2").start();
}
}
锁消除
锁消除是指对于被检测出不可能存在竞争的共享数据的锁进行消除，这是 JVM 即时编译器的优化
锁消除主要是通过逃逸分析来支持，如果堆上的共享数据不可能逃逸出去被其它线程访问到，那么就可以把它们当成私有数据对待，也就可以将它们的锁进行消除（同步消除：JVM 逃逸分析）
锁粗化
对相同对象多次加锁，导致线程发生多次重入，频繁的加锁操作就会导致性能损耗，可以使用锁粗化方式优化
如果虚拟机探测到一串的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部
- 一些看起来没有加锁的代码，其实隐式的加了很多锁：
public static String concatString(String s1, String s2, String s3) { return s1 + s2 + s3; } - String 是一个不可变的类，编译器会对 String 的拼接自动优化。在 JDK 1.5 之前，转化为 StringBuffer 对象的连续 append() 操作，每个 append() 方法中都有一个同步块
public static String concatString(String s1, String s2, String s3) { StringBuffer sb = new StringBuffer(); sb.append(s1); sb.append(s2); sb.append(s3); return sb.toString(); }
扩展到第一个 append() 操作之前直至最后一个 append() 操作之后，只需要加锁一次就可以
多把锁
多把不相干的锁：一间大屋子有两个功能睡觉、学习，互不相干。现在一人要学习，一人要睡觉，如果只用一间屋子（一个对象锁）的话，那么并发度很低
将锁的粒度细分：
- 好处，是可以增强并发度
- 坏处，如果一个线程需要同时获得多把锁，就容易发生死锁
解决方法：准备多个对象锁
public static void main(String[] args) {
BigRoom bigRoom = new BigRoom();
new Thread(() -> { bigRoom.study(); }).start();
new Thread(() -> { bigRoom.sleep(); }).start();
}
class BigRoom {
private final Object studyRoom = new Object();
private final Object sleepRoom = new Object();
public void sleep() throws InterruptedException {
synchronized (sleepRoom) {
System.out.println("sleeping 2 小时");
Thread.sleep(2000);
}
}
public void study() throws InterruptedException {
synchronized (studyRoom) {
System.out.println("study 1 小时");
Thread.sleep(1000);
}
}
}
活跃性
死锁
形成
死锁：多个线程同时被阻塞，它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放，由于线程被无限期地阻塞，因此程序不可能正常终止
Java 死锁产生的四个必要条件：
- 互斥条件，即当资源被一个线程使用（占有）时，别的线程不能使用
- 不可剥夺条件，资源请求者不能强制从资源占有者手中夺取资源，资源只能由资源占有者主动释放
- 请求和保持条件，即当资源请求者在请求其他的资源的同时保持对原有资源的占有
- 循环等待条件，即存在一个等待循环队列：p1 要 p2 的资源，p2 要 p1 的资源，形成了一个等待环路
四个条件都成立的时候，便形成死锁。死锁情况下打破上述任何一个条件，便可让死锁消失
public class Dead {
public static Object resources1 = new Object();
public static Object resources2 = new Object();
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
// 线程1：占用资源1 ，请求资源2
synchronized(resources1){
System.out.println("线程1已经占用了资源1，开始请求资源2");
Thread.sleep(2000);//休息两秒，防止线程1直接运行完成。
//2秒内线程2肯定可以锁住资源2
synchronized (resources2){
System.out.println("线程1已经占用了资源2");
}
}).start();
new Thread(() -> {
// 线程2：占用资源2 ，请求资源1
synchronized(resources2){
System.out.println("线程2已经占用了资源2，开始请求资源1");
Thread.sleep(2000);
synchronized (resources1){
System.out.println("线程2已经占用了资源1");
}
}}
}).start();
}
}
定位
定位死锁的方法：
- 使用 jps 定位进程 id，再用
jstack id定位死锁，找到死锁的线程去查看源码，解决优化"Thread-1" #12 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000001eb69000 nid=0xd40 waiting formonitor entry [0x000000001f54f000] java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor) #省略 "Thread-1" #12 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000001eb69000 nid=0xd40 waiting for monitor entry [0x000000001f54f000] java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor) #省略 Found one Java-level deadlock: =================================================== "Thread-1": waiting to lock monitor 0x000000000361d378 (object 0x000000076b5bf1c0, a java.lang.Object), which is held by "Thread-0" "Thread-0": waiting to lock monitor 0x000000000361e768 (object 0x000000076b5bf1d0, a java.lang.Object), which is held by "Thread-1" Java stack information for the threads listed above: =================================================== "Thread-1": at thread.TestDeadLock.lambda$main$1(TestDeadLock.java:28) - waiting to lock <0x000000076b5bf1c0> (a java.lang.Object) - locked <0x000000076b5bf1d0> (a java.lang.Object) at thread.TestDeadLock$$Lambda$2/883049899.run(Unknown Source) at java.lang.Thread.run(Thread.java:745) "Thread-0": at thread.TestDeadLock.lambda$main$0(TestDeadLock.java:15) - waiting to lock <0x000000076b5bf1d0> (a java.lang.Object) - locked <0x000000076b5bf1c0> (a java.lang.Object) at thread.TestDeadLock$$Lambda$1/495053715 - Linux 下可以通过 top 先定位到 CPU 占用高的 Java 进程，再利用
top -Hp 进程id来定位是哪个线程，最后再用 jstack的输出来看各个线程栈 - 避免死锁：避免死锁要注意加锁顺序
- 可以使用 jconsole 工具，在
jdk\bin目录下
活锁
活锁：指的是任务或者执行者没有被阻塞，由于某些条件没有满足，导致一直重复尝试—失败—尝试—失败的过程
两个线程互相改变对方的结束条件，最后谁也无法结束：
class TestLiveLock {
static volatile int count = 10;
static final Object lock = new Object();
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
// 期望减到 0 退出循环
while (count > 0) {
Thread.sleep(200);
count--;
System.out.println("线程一count:" + count);
}
}, "t1").start();
new Thread(() -> {
// 期望超过 20 退出循环
while (count < 20) {
Thread.sleep(200);
count++;
System.out.println("线程二count:"+ count);
}
}, "t2").start();
}
}
饥饿
饥饿：一个线程由于优先级太低，始终得不到 CPU 调度执行，也不能够结束
