Synchronized和lock区别

ReentrantLock可重入锁的使用

一、简述

1️⃣synchronized的作用
①原子性：synchronized 保证语句块内操作是原子的。
②可见性：synchronized 保证可见性(通过“在执行unlock之前，必须先把此变量同步回主内存”实现)。
③有序性：synchronized 保证有序性(通过“一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作”)。

2️⃣synchronized的使用
①修饰实例方法，对当前实例对象加锁。
②修饰静态方法，多当前类的Class对象加锁。
③修饰代码块，对 synchronized 括号内的对象加锁。

二、实现原理

JVM 的同步(synchronized)基于进入和退出管程(Monitor)对象实现， 无论是显式同步(有明确的 monitorenter 和 monitorexit 指令，即同步代码块)还是隐式同步都是如此。

1️⃣方法级的同步
在 Java 语言中，同步用的最多的地方可能是被 synchronized 修饰的同步方法。方法级的同步是隐式，即无需通过字节码指令来控制的，它实现在方法调用和返回操作之中。JVM 可以从方法常量池中的方法表结构(method_info Structure)中的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志区分一个方法是否同步方法。当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先持有 monitor (虚拟机规范中用的是管程一词)，然后再执行方法，最后在方法完成(无论是正常完成还是非正常完成)时释放 monitor。

2️⃣代码块的同步
代码块的同步是利用 monitorenter 和 monitorexit 这两个字节码指令。synchronized 是 JVM 实现的一种互斥同步访问方式，底层是基于每个对象的监视器(monitor)来实现的。被 synchronized 修饰的代码，被编译器编译后在前后加上了一组字节指令。
①在代码开始加入了 monitorenter，在代码后面加入了 monitorexit，这两个字节码指令配合完成了 synchronized 关键字修饰代码的互斥访问。
②在虚拟机执行到 monitorenter 指令的时候，会请求获取对象的 monitor 锁，基于 monitor 锁又衍生出一个锁计数器的概念。
③当执行 monitorenter 时，若对象未被锁定时，或者当前线程已经拥有了此对象的 monitor 锁，则锁计数器+1，该线程获取该对象锁。
④当执行 monitorexit 时，锁计数器-1，当计数器为0时，此对象锁就被释放了。那么其它阻塞的线程则可以请求获取该 monitor 锁。
⑤如果获取monitor对象失败，该线程则会进入阻塞状态，直到其他线程释放锁。

这里要注意：
①synchronized 是可重入的，所以不会自己把自己锁死
②synchronized 锁一旦被一个线程持有，其他试图获取该锁的线程将被阻塞。

关于ACC_SYNCHRONIZED 、monitorenter、monitorexit指令，可以看一下下面的反编译代码：

public class SynchronizedDemo {
    public synchronized void f(){//这个是同步方法
        System.out.println("Hello world");
    }
    public void g(){
        synchronized (this){//这个是同步代码块
            System.out.println("Hello world");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
    }
}

使用javap -verbose SynchronizedDemo反编译后得到：

同步方法，反编译后得到ACC_SYNCHRONIZED标志 同步代码块反编译后得到monitorenter和monitorexit指令

三、理解Java对象头

️⃣
在 JVM 中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头、实例变量和填充数据。

1️⃣实例变量：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息，如果是数组的实例部分还包括数组的长度，这部分内存按4字节对齐。

2️⃣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。

四、 JVM对synchronized的锁优化

Java SE 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”。锁的状态总共有四种，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，锁可以升级但不能降级。

1️⃣偏向锁
偏向锁是Java 6之后加入的新锁，它是一种针对加锁操作的优化手段，它的目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语，进一步提高程序的性能。在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作，耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提升程序的性能。所以，对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果，毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就失效了，因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的，因此这种场合下不应该使用偏向锁，否则会得不偿失，需要注意的是，偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。

偏向锁的获取：

1. 判断是否为可偏向状态。
2. 如果为可偏向状态，则判断线程ID是否是当前线程，如果是进入同步块。
3. 如果线程ID并未指向当前线程，利用CAS操作竞争锁，如果竞争成功，将Mark Word中线程ID更新为当前线程ID，进入同步块。
4. 如果竞争失败，等待全局安全点，准备撤销偏向锁，根据线程是否处于活动状态，决定是转换为无锁状态还是升级为轻量级锁。

当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机会把对象头中的标志位设置为“01”，即偏向模式。同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程ID记录在对象的Mark Word中，如果CAS操作成功。持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机都可以不再进行任何同步操作。

偏向锁的释放：

偏向锁使用了遇到竞争才释放锁的机制。偏向锁的撤销需要等待全局安全点，然后它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后判断线程是否还活着，如果线程还活着，则升级为轻量级锁，否则，将锁设置为无锁状态。

2️⃣轻量级锁
倘若偏向锁失败，虚拟机并不会立即升级为重量级锁，它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的)，此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争”，注意这是经验数据。需要了解的是，轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

3️⃣自旋锁
轻量级锁失败后，虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起，还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于在大多数情况下，线程持有锁的时间都不会太长，如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失，毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高，因此自旋锁会假设在不久将来，当前的线程可以获得锁，因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因)，一般不会太久，可能是50个循环或100循环，在经过若干次循环后，如果得到锁，就顺利进入临界区。如果还不能获得锁，那就会将线程在操作系统层面挂起，这就是自旋锁的优化方式，这种方式确实也是可以提升效率的。最后没办法也就只能升级为重量级锁了。

4️⃣重量级锁
Synchronized 的重量级锁是通过对象内部的一个叫做监视器锁(monitor)来实现的，监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock(互斥锁)来实现的。而操作系统实现线程之间的切换需要从用户态转换到核心态，这个成本非常高，状态之间的转换需要相对比较长的时间，这就是为什么Synchronized效率低的原因。因此，这种依赖于操作系统Mutex Lock所实现的锁称之为“重量级锁”。

5️⃣锁消除
消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，这种优化更彻底，Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的请求锁时间。如StringBuffer的append是一个同步方法，但是在add方法中的StringBuffer属于一个局部变量，并且不会被其他线程所使用，因此StringBuffer不可能存在共享资源竞争的情景，JVM会自动将其锁消除。

6️⃣锁粗化
如果虚拟机检测到有这样一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁同步的范围扩展(粗化)到整个操作序列的外部。