簡介
在多線程中解決線程安全的問題時常用到Synchronized，現在的synchronized相對于早期的synchronized做出了優化，從以前的加鎖就是重量級鎖優化成了有一個鎖升級的過程(偏向鎖->輕量級鎖->重量級鎖)。
CAS
cas的全稱是compare and swap，從名稱上可以看出它是先比較再進行設置，它是一種在多線程環境下實現同步功能的機制。
下面這段代碼是在ReentrantLock類中復制的一段關于CAS操作的代碼
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}compareAndSwapInt的參數，這里的參數一和參數二現在把他理解成是一個參數unsafe.compareAndSwapInt(curr, expect, update);所以這一個Cas操作里面需要三個參數
- 參數一：當前值
- 參數二：期望值
- 參數三：需要修改成的值
只有在當前值和期望值一致的時候才會將當前值修改成參數三所傳入的值。
CAS在JUC包中應用很廣泛，比如在AtomicXXX類中使用到了大量的CAS操作，
CAS不是很難理解，有個概念就好。
markWord
如果了解對象的內存布局的可以略過此段。這個對象的內存布局是和JVM的實現有關，本章所說的是HotSpot的實現。
當一個對象被創建出來后它在內存中的布局如下，由四部分組成：
- 8個字節的markword，（markword里面包含了其它的東西，比如GC標記，鎖類型）
- 4個字節的ClassPoint(此指針指向的Class)，默認是開啟指針壓縮所以是四個字節，關閉指針壓縮后是八個字節
- 實例對象中的成員屬性大小
- 字節填充(有的JVM需要8字節對齊，如果上面的字節相加后不能被8整除，則需要在此補齊)
看到上面的圖，應該可以大概的看出來synchronized加鎖，其實就是修改的對像頭里面的markword的數據。所以synchronized可以對任何一個對象加鎖
現在有一個Java類T,將它new出來之后它的對象的內存布局是什么樣子的呢？
class T{
Integer age;
}可以通過一個小工具來查看下這個T類在內存中的對象布局
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.9</version>
<scope>compile</scope>
</dependency>通過下面的程序來打印下T對象的布局是什么樣子的。
public static void main(String[] args) {
T o = new T();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
}
這張圖是一個沒有加鎖的對象的對象布局。
通過synchronized后的對象布局是什么樣子的呢？這次再修改下T類，目的是讓它存在字節填充
class T{
Integer age;
Integer age1;
}
public static void main(String[] args) {
T o = new T();
synchronized (o){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
}
}
到這里可能有些小伙伴有疑問，這里為啥是輕量級鎖，不應該先是偏向鎖嗎？原因如下：
因為偏向鎖是有4秒的延遲的，所以如果想要看到效果可以在代碼里加上sleep(4100)就可以了?；蛘呤峭ㄟ^jvm參數-XX:BiasedLockingStartupDelay=0將延遲設置成0
看完這里也對markword有了些了解了，因為在synchronized中加鎖就是通過cas的方式修改的markword中的鎖狀態
Synchronized的鎖升級
上圖大概就是Synchronized加鎖后的一個鎖升級的過程。從早期的重量級鎖優化到了現在一個輕量級鎖。
偏向鎖
上面的重量級鎖說到重量級鎖想要申請一把鎖需要用戶態到內核態的一個轉換，到了后期的JDK版本中，加鎖不用在去向OS去申請鎖了，只需要在用戶態就可以完成加鎖。
從名字上可以看出偏向鎖它就是偏向某一個線程，把這個鎖加到這個線程上，在加鎖的時候如果發現當前鎖的競爭線程只有一個線程的話，那么這個鎖直接偏向這個線程。直接上鎖，不存在競爭。并在線程棧中創建一個LR(鎖記錄)并將markword拷貝到LR中，同時鎖中的markwrod中的指針也會指向當前持有鎖線程的LR
這里的LR是有什么作用？
首先synchronized是一個可重入鎖，它即然是一個可重入鎖它就得有一個東西用來記錄重入的次數(加鎖幾次必須解鎖幾次)。在解鎖時LR在棧中彈出一個就表示解鎖一次。
當有多個線程競爭的時候會升級成輕量級鎖(自旋鎖)
通過下圖來看下偏向鎖是怎么一回事。
當大呆需要上WC時，只有它自已要上ＷＣ，此時并沒有其它的人需要上ＷＣ，那么這時這個ＷＣ可以直接給大呆使用，并且大呆把可以標識自已身份的ID貼到門上，表示此時大呆占用了這個WC。
當又有一個線程來搶占鎖時發現當前鎖已被占用，此時鎖會從偏向鎖升級成輕量級鎖。
匿名偏向
在執行的時候將偏向鎖的延遲設置成0-XX:BiasedLockingStartupDelay=0
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
T o = new T();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
}
可以看這個程序的執行結果，當前的鎖狀態是偏向鎖，而有意思是的鎖存在，但是他并沒有指向線程的指針，
這種情況稱為匿名偏向。
輕量級鎖
說到輕量級鎖可能需要在兩種情況下來說它，一是在升級成輕量鎖之前有偏向鎖，另一種是在升級輕量鎖之前沒有偏向鎖，這里說完第一種第二種不用解釋各位也會明白是怎么一回事。
還是用上面這個圖來解釋，此時當前的WC被大呆所占用，這時二呆來了也要使用WC。這時大呆和二呆就要通過CAS的方式來搶占WC。
因為此時鎖的狀態是偏向鎖的狀態，二呆來了也要使用WC(這時有兩個人同時要使用WC，這時就要將偏向鎖升級成輕量級鎖)，在升級輕量鎖之前首先需要將WC上的標識大呆身份的ID撕下來(這一步叫做偏向鎖的撤銷)，然后能過自旋+CAS的方式兩個人來搶鎖。當其中一個線程搶鎖成功后，會將LR貼到WC的門上，表示WC當前被某個線程占用，然后另一個沒有搶到鎖的線程就一直自旋，當自旋一定次數后升級成重量級鎖。
如果在升級輕量鎖之前沒有偏向鎖，此時兩個線程直接自旋+CAS的方式來搶鎖。
重量級鎖
在了解重量級鎖之前，我想應該先說下用戶態與內核態：
對于系統而言，它可以做的一些事情，普通的應用程序是無法完成的，比如系統可以干掉硬盤，如果普通的程序想要干掉硬盤它必須向操作系統去申請，由此操作系統中的指令分了級別，操作系統級別可以訪問所有的指令，在用戶態下只能訪問用戶能訪問的指令，如果用戶態要訪問內核態可以執行的指令必須去向操作系統去申請，請操作系統調用。
在JDK早期，上鎖只能上重量級鎖。因為，所謂的JVM其實它也是工作在用戶態的一個進程，如果想要對一個對象進行上鎖，那它必須去向系統去申請鎖。申請鎖成功后，還需要將這把鎖從內核態返回到用戶態，它稱為重量級鎖的原因就是在鎖申請的時候都要有一個在用戶態到內核態的轉換。
當搶占到鎖后，markword里面記錄的不再是LR的指針，而是指向的是一個C++的對象ObjectMonitor，
如果當前線程自旋一段時間后沒有搶到鎖就會升級成重量級鎖，并將當前的線程存入EntryList隊列中阻塞，持有鎖的線程執行完成后，在喚醒EntryList隊列中的線程去搶占鎖。
總結
synchronized的鎖升級過程：
- 偏向鎖未啟動，創建出來的是普通對象， 如果有一個線程來搶占鎖，該鎖偏向此線程，這時升級為偏向鎖。
- 在偏向鎖的基礎上又來一個線程搶占鎖此時升級為輕量級鎖。當一個線程沒有搶占到鎖，并且自旋了一定時間后還沒有搶到鎖，就會升級成重量級鎖。
- 在偏向鎖的基礎上如果出現了重度競爭就會直接升級成重量級鎖
- 偏向鎖已啟動，創建出來的對象匿名偏向，后面的鎖升級和上面寫的一樣。
到此這篇關于Java中synchronized鎖升級的過程的文章就介紹到這了,更多相關synchronized鎖升級內容請搜索html5模板網以前的文章希望大家以后多多支持html5模板網！