這篇文章主要介紹“Java鎖機(jī)制的原理和應(yīng)用”，在日常操作中，相信很多人在Java鎖機(jī)制的原理和應(yīng)用問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡(jiǎn)單好用的操作方法，希望對(duì)大家解答”Java鎖機(jī)制的原理和應(yīng)用”的疑惑有所幫助！接下來，請(qǐng)跟著小編一起來學(xué)習(xí)吧！

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背景知識(shí)

指令流水線

CPU的基本工作是執(zhí)行存儲(chǔ)的指令序列，即程序。程序的執(zhí)行過程實(shí)際上是不斷地取出指令、分析指令、執(zhí)行指令的過程。

幾乎所有的馮?諾伊曼型計(jì)算機(jī)的CPU，其工作都可以分為5個(gè)階段：取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令、訪存取數(shù)和結(jié)果寫回。 現(xiàn)代處理器的體系結(jié)構(gòu)中，采用了流水線的處理方式對(duì)指令進(jìn)行處理。指令包含了很多階段，對(duì)其進(jìn)行拆解，每個(gè)階段由專門的硬件電路、寄存器來處 理，就可以實(shí)現(xiàn)流水線處理。實(shí)現(xiàn)更高的CPU吞吐量，但是由于流水線處理本身的額外開銷，可能會(huì)增加延遲。

cpu多級(jí)緩存

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CPU高速緩存（CPU Cache，簡(jiǎn)稱緩存）是用于減少處理器訪問內(nèi)存所需平均時(shí)間的部件。在金字塔式存儲(chǔ)體系中它位于自頂向下的第二層，僅次于CPU寄存器。其容量遠(yuǎn)小于內(nèi)存，但速度卻可以接近處理器的頻率。

當(dāng)處理器發(fā)出內(nèi)存訪問請(qǐng)求時(shí)，會(huì)先查看緩存內(nèi)是否有請(qǐng)求數(shù)據(jù)。如果存在（命中），則不經(jīng)訪問內(nèi)存直接返回該數(shù)據(jù)；如果不存在（失效），則要先把內(nèi)存中的相應(yīng)數(shù)據(jù)載入緩存，再將其返回處理器。

緩存之所以有效，主要是因?yàn)槌绦蜻\(yùn)行時(shí)對(duì)內(nèi)存的訪問呈現(xiàn)局部性（Locality）特征。這種局部性既包括空間局部性（Spatial Locality），也包括時(shí)間局部性（Temporal Locality）。有效利用這種局部性，緩存可以達(dá)到極高的命中率。

問題引入

原子性

原子性：即一個(gè)操作或者多個(gè)操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過程不會(huì)被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行。

示例方法：{i++ （i為實(shí)例變量）}

這樣一個(gè)簡(jiǎn)單語句主要由三個(gè)操作組成：

• 讀取變量i的值

• 進(jìn)行加一操作

• 將新的值賦值給變量i

如果對(duì)實(shí)例變量i的操作不做額外的控制，那么多個(gè)線程同時(shí)調(diào)用，就會(huì)出現(xiàn)覆蓋現(xiàn)象，丟失部分更新。

另外，如果再考慮上工作內(nèi)存和主存之間的交互，可細(xì)分為以下幾個(gè)操作：

• read 從主存讀取到工作內(nèi)存 （非必須）

• load 賦值給工作內(nèi)存的變量副本（非必須）

• use 工作內(nèi)存變量的值傳給執(zhí)行引擎

• 執(zhí)行引擎執(zhí)行加一操作

• assign 把從執(zhí)行引擎接收到的值賦給工作內(nèi)存的變量

• store 把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳遞給主內(nèi)存（非必須）

• write 把工作內(nèi)存中變量的值寫到主內(nèi)存中的變量（非必須）

可見性

可見性：是指當(dāng)多個(gè)線程訪問同一個(gè)變量時(shí)，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值

存在可見性問題的根本原因是由于緩存的存在，線程持有的是共享變量的副本，無法感知其他線程對(duì)于共享變量的更改，導(dǎo)致讀取的值不是最新的。

while (flag) {//語句1
   doSomething();//語句2
}
flag = false;//語句3

線程1判斷flag標(biāo)記，滿足條件則執(zhí)行語句2；線程2flag標(biāo)記置為false，但由于可見性問題，線程1無法感知，就會(huì)一直循環(huán)處理語句2。

順序性

順序性：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行

由于編譯重排序和指令重排序的存在，是的程序真正執(zhí)行的順序不一定是跟代碼的順序一致，這種情況在多線程情況下會(huì)出現(xiàn)問題。

if (inited == false) { 
   context = loadContext();   //語句1
   inited = true;             //語句2
}
doSomethingwithconfig(context); //語句3

由于語句1和語句2沒有依賴性，語句1和語句2可能 并行執(zhí)行 或者 語句2先于語句1執(zhí)行，如果這段代碼兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行，線程1執(zhí)行了語句2，而語句1還沒有執(zhí)行完，這個(gè)時(shí)候線程2判斷inited為true，則執(zhí)行語句3，但由于context沒有初始化完成，則會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)未知的異常。

JMM內(nèi)存模型

Java虛擬機(jī)規(guī)范定義了Java內(nèi)存模型（Java Memory Model，JMM）來屏蔽各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異，以實(shí)現(xiàn)讓Java程序在各種平臺(tái)下都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問效果（C/C++等則直接使用物理機(jī)和OS的內(nèi)存模型，使得程序須針對(duì)特定平臺(tái)編寫），它在多線程的情況下尤其重要。

內(nèi)存劃分

JMM的主要目標(biāo)是定義程序中各個(gè)變量的訪問規(guī)則，即在虛擬機(jī)中將變量存儲(chǔ)到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣的底層細(xì)節(jié)。這里的變量是指共享變量，存在競(jìng)爭(zhēng)問題的變量，如實(shí)例字段、靜態(tài)字段、數(shù)組對(duì)象元素等，不包括線程私有的局部變量、方法參數(shù)等，因?yàn)樗接凶兞坎淮嬖诟?jìng)爭(zhēng)問題。可以認(rèn)為JMM包括內(nèi)存劃分、變量訪問操作與規(guī)則兩部分。 分為主內(nèi)存和工作內(nèi)存，每個(gè)線程都有自己的工作內(nèi)存，它們共享主內(nèi)存。

• 主內(nèi)存（Main Memory）存儲(chǔ)所有共享變量的值。

• 工作內(nèi)存（Working Memory）存儲(chǔ)該線程使用到的共享變量在主內(nèi)存的的值的副本拷貝。

線程對(duì)共享變量的所有讀寫操作都在自己的工作內(nèi)存中進(jìn)行，不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量。

不同線程間也無法直接訪問對(duì)方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量值的傳遞必須通過主內(nèi)存完成。

這種劃分與Java內(nèi)存區(qū)域中堆、棧、方法區(qū)等的劃分是不同層次的劃分，兩者基本沒有關(guān)系。硬要聯(lián)系的話，大致上主內(nèi)存對(duì)應(yīng)Java堆中對(duì)象的實(shí)例數(shù)據(jù)部分、工作內(nèi)存對(duì)應(yīng)棧的部分區(qū)域；從更低層次上說，主內(nèi)存對(duì)應(yīng)物理硬件內(nèi)存、工作內(nèi)存對(duì)應(yīng)寄存器和高速緩存。

內(nèi)存間交互規(guī)則

關(guān)于主內(nèi)存與工作內(nèi)存之間的交互協(xié)議，即一個(gè)變量如何從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi)存，如何從工作內(nèi)存同步到主內(nèi)存中的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。Java內(nèi)存模型定義了8種原子操作來完成：

• lock: 將一個(gè)變量標(biāo)識(shí)為被一個(gè)線程獨(dú)占狀態(tài)

• unclock: 將一個(gè)變量從獨(dú)占狀態(tài)釋放出來，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定

• read: 將一個(gè)變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)焦ぷ鲀?nèi)存中，以便隨后的load操作

• load: 把read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量的副本中

• use: 把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳給執(zhí)行引擎，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)使用到變量的指令時(shí)都會(huì)使用該指令

• assign: 把一個(gè)從執(zhí)行引擎接收到的值賦給工作內(nèi)存中的變量，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)給變量賦值的指令時(shí)，都要使用該操作

• store: 把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳遞給主內(nèi)存，以便隨后的write操作

• write: 把store操作從工作內(nèi)存中得到的變量的值寫到主內(nèi)存中的變量

定義原子操作的使用規(guī)則

1.不允許一個(gè)線程無原因地（沒有發(fā)生過任何assign操作）把數(shù)據(jù)從工作內(nèi)存同步會(huì)主內(nèi)存中

2.一個(gè)新的變量只能在主內(nèi)存中誕生，不允許在工作內(nèi)存中直接使用一個(gè)未被初始化（load或者assign）的變量。即就是對(duì)一個(gè)變量實(shí)施use和store操作之前，必須先自行assign和load操作。

3.一個(gè)變量在同一時(shí)刻只允許一條線程對(duì)其進(jìn)行l(wèi)ock操作，但lock操作可以被同一線程重復(fù)執(zhí)行多次，多次執(zhí)行l(wèi)ock后，只有執(zhí)行相同次數(shù)的unlock操作，變量才會(huì)被解鎖。lock和unlock必須成對(duì)出現(xiàn)。

4.如果對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行l(wèi)ock操作，將會(huì)清空工作內(nèi)存中此變量的值，在執(zhí)行引擎使用這個(gè)變量之前需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或assign操作初始化變量的值。

5.如果一個(gè)變量事先沒有被lock操作鎖定，則不允許對(duì)它執(zhí)行unlock操作；也不允許去unlock一個(gè)被其他線程鎖定的變量。

6.對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把此變量同步到主內(nèi)存中（執(zhí)行store和write操作）

從上面可以看出，把變量從主內(nèi)存復(fù)制到工作內(nèi)存需要順序執(zhí)行read、load，從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存則需要順序執(zhí)行store、write。總結(jié)：

• read、load、use必須成對(duì)順序出現(xiàn)，但不要求連續(xù)出現(xiàn)。assign、store、write同之；

• 變量誕生和初始化：變量只能從主內(nèi)存“誕生”，且須先初始化后才能使用，即在use/store前須先load/assign；

• lock一個(gè)變量后會(huì)清空工作內(nèi)存中該變量的值，使用前須先初始化；unlock前須將變量同步回主內(nèi)存；

• 一個(gè)變量同一時(shí)刻只能被一線程lock，lock幾次就須unlock幾次；未被lock的變量不允許被執(zhí)行unlock，一個(gè)線程不能去unlock其他線程lock的變量。

long和double型變量的特殊規(guī)則

Java內(nèi)存模型要求前述8個(gè)操作具有原子性，但對(duì)于64位的數(shù)據(jù)類型long和double，在模型中特別定義了一條寬松的規(guī)定：允許虛擬機(jī)將沒有被volatile修飾的64位數(shù)據(jù)的讀寫操作劃分為兩次32位的操作來進(jìn)行。即未被volatile修飾時(shí)線程對(duì)其的讀取read不是原子操作，可能只讀到“半個(gè)變量”值。雖然如此，商用虛擬機(jī)幾乎都把64位數(shù)據(jù)的讀寫實(shí)現(xiàn)為原子操作，因此我們可以忽略這個(gè)問題。

先行發(fā)生原則

Java內(nèi)存模型具備一些先天的“有序性”，即不需要通過任何同步手段（volatile、synchronized等）就能夠得到保證的有序性，這個(gè)通常也稱為happens-before原則。

如果兩個(gè)操作的執(zhí)行次序不符合先行原則且無法從happens-before原則推導(dǎo)出來，那么它們就不能保證它們的有序性，虛擬機(jī)可以隨意地對(duì)它們進(jìn)行重排序。

• 程序次序規(guī)則（Program Order Rule）：一個(gè)線程內(nèi)，邏輯上書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作。

• 鎖定規(guī)則（Monitor Lock Rule）：一個(gè)unLock操作先行發(fā)生于后面對(duì)同一個(gè)鎖的lock操作。“后面”指時(shí)間上的先后順序。

• volatile變量規(guī)則（Volatile Variable Rule）：對(duì)一個(gè)volatile變量的寫操作先行發(fā)生于后面對(duì)這個(gè)變量的讀操作。“后面”指時(shí)間上的先后順序。

• 傳遞規(guī)則（Transitivity）：如果操作A先行發(fā)生于操作B，而操作B又先行發(fā)生于操作C，則可以得出操作A先行發(fā)生于操作C。

• 線程啟動(dòng)規(guī)則（Thread Start Rule）：Thread對(duì)象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每個(gè)一個(gè)動(dòng)作。

• 線程中斷規(guī)則（Thread Interruption Rule）：對(duì)線程interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測(cè)到中斷事件的發(fā)生（通過Thread.interrupted()檢測(cè)）。

• 線程終止規(guī)則（Thread Termination Rule）：線程中所有的操作都先行發(fā)生于線程的終止檢測(cè)，我們可以通過Thread.join()方法結(jié)束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測(cè)到線程已經(jīng)終止執(zhí)行。

• 對(duì)象終結(jié)規(guī)則（Finaizer Rule）：一個(gè)對(duì)象的初始化完成（構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行結(jié)束）先行發(fā)生于他的finalize()方法的開始。

問題解決

原子性

• 由JMM直接保證的原子性變量操作包括read、load、use、assign、store、write；

• 基本數(shù)據(jù)類型的讀寫（工作內(nèi)存）是原子性的

由JMM的lock、unlock可實(shí)現(xiàn)更大范圍的原子性保證，但是這是JVM需要實(shí)現(xiàn)支持的功能，對(duì)于開發(fā)者則是有由synchronized關(guān)鍵字 或者 Lock讀寫鎖 來保證原子性。

可見性

volatile 變量值被一個(gè)線程修改后會(huì)立即同步回主內(nèi)存、變量值被其他線程讀取前立即從主內(nèi)存刷新值到工作內(nèi)存。即read、load、use三者連續(xù)順序執(zhí)行，assign、store、write連續(xù)順序執(zhí)行。

synchronized/Lock 由lock和unlock的使用規(guī)則保證

• “對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把此變量同步到主內(nèi)存中（執(zhí)行store和write操作）”。

• "如果對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行l(wèi)ock操作，將會(huì)清空工作內(nèi)存中此變量的值，在執(zhí)行引擎使用這個(gè)變量之前需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或assign操作初始化變量的值"

final 修飾的字段在構(gòu)造器中一旦初始化完成，且構(gòu)造器沒有把“this”的引用傳遞出去，則其他線程可立即看到final字段的值。

順序性

volatile 禁止指令重排序

synchronized/Lock “一個(gè)變量在同一個(gè)時(shí)刻只允許一條線程對(duì)其執(zhí)行l(wèi)ock操作”

開發(fā)篇

volatile

被volatile修飾的變量能保證器順序性和可見性

順序性

• 對(duì)一個(gè)volatile變量的寫操作先行發(fā)生于后面對(duì)這個(gè)變量的讀操作。“后面”指時(shí)間上的先后順序

可見性

• 當(dāng)寫一個(gè) volatile 變量時(shí)，JMM 會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的工作內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存。

• 當(dāng)讀一個(gè) volatile 變量時(shí)，JMM 會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的工作內(nèi)存置為無效，線程接下來將從主內(nèi)存中讀取共享變量。

volatile相比于synchronized/Lock是非常輕量級(jí)，但是使用場(chǎng)景是有限制的：

• 對(duì)變量的寫入操作不依賴于其當(dāng)前值，即僅僅是讀取和單純的寫入，比如操作完成、中斷或者狀態(tài)之類的標(biāo)志

• 禁止對(duì)volatile變量操作指令的重排序

實(shí)現(xiàn)原理

volatile底層是通過cpu提供的內(nèi)存屏障指令來實(shí)現(xiàn)的。硬件層的內(nèi)存屏障分為兩種：Load Barrier 和 Store Barrier即讀屏障和寫屏障。

內(nèi)存屏障有兩個(gè)作用：

• 阻止屏障兩側(cè)的指令重排序

• 強(qiáng)制把寫緩沖區(qū)/高速緩存中的臟數(shù)據(jù)等寫回主內(nèi)存，讓緩存中相應(yīng)的數(shù)據(jù)失效

final

對(duì)于final域的內(nèi)存語義，編譯器和處理器要遵守兩個(gè)重排序規(guī)則（內(nèi)部實(shí)現(xiàn)也是使用內(nèi)存屏障）：

• 寫final域的重排序規(guī)則：在構(gòu)造函數(shù)內(nèi)對(duì)一個(gè)final域的寫入，與隨后把這個(gè)被構(gòu)造對(duì)象的引用賦值給一個(gè)引用變量，這兩個(gè)操作之間不能重排序。

• 讀final域的重排序規(guī)則：初次讀一個(gè)包含final域的對(duì)象的引用，與隨后初次讀這個(gè)final域，這兩個(gè)操作之間不能重排序。

public class FinalExample {
       int i;//普通域
       final int j;//final域
       static FinalExample obj;
       
       public FinalExample () {
              i = 1;//寫普通域。對(duì)普通域的寫操作【可能會(huì)】被重排序到構(gòu)造函數(shù)之外 
              j = 2;//寫final域。對(duì)final域的寫操作【不會(huì)】被重排序到構(gòu)造函數(shù)之外
       }
       
       // 寫線程A執(zhí)行
       public static void writer () {    
              obj = new FinalExample ();
       }
       
       // 讀線程B執(zhí)行
       public static void reader () {    
              FinalExample object = obj;//讀對(duì)象引用
              int a = object.i;//讀普通域。可能會(huì)看到結(jié)果為0(由于i=1可能被重排序到構(gòu)造函數(shù)外，此時(shí)y還沒有被初始化)
              int b = object.j;//讀final域。保證能夠看到結(jié)果為2
       }
}

初次讀對(duì)象引用與初次讀該對(duì)象包含的final域，這兩個(gè)操作之間存在間接依賴關(guān)系。由于編譯器遵守間接依賴關(guān)系，因此編譯器不會(huì)重排序這兩個(gè)操作。大多數(shù)處理器也會(huì)遵守間接依賴，也不會(huì)重排序這兩個(gè)操作。但有少數(shù)處理器允許對(duì)存在間接依賴關(guān)系的操作做重排序（比如alpha處理器），這個(gè)規(guī)則就是專門用來針對(duì)這種處理器的。

對(duì)于final域是引用類型，寫final域的重排序規(guī)則對(duì)編譯器和處理器增加了如下約束：

• 在構(gòu)造函數(shù)內(nèi)對(duì)一個(gè)final引用的對(duì)象的成員域的寫入，與隨后在構(gòu)造函數(shù)外把這個(gè)被構(gòu)造對(duì)象的引用賦值給一個(gè)引用變量，這兩個(gè)操作之間不能重排序。

synchronized

synchronized用于修飾普通方法、修飾靜態(tài)方法、修飾代碼塊

• 確保代碼的同步執(zhí)行（即不同線程間的互斥）（原子性）

• 確保對(duì)共享變量的修改能夠及時(shí)可見（可見性）

• 有效解決指令重排問題（順序性）

實(shí)現(xiàn)原理

使用對(duì)象的監(jiān)視器(Monitor，也有叫管程的)進(jìn)行控制

• 進(jìn)入/加鎖時(shí)執(zhí)行字節(jié)碼指令MonitorEnter

• 退出/解鎖時(shí)執(zhí)行字節(jié)碼指令MonitorExit

• 當(dāng)執(zhí)行代碼有異常退出方法/代碼段時(shí)，會(huì)自動(dòng)解鎖

使用哪個(gè)對(duì)象的監(jiān)視器：

• 修飾對(duì)象方法時(shí)，使用當(dāng)前對(duì)象的監(jiān)視器

• 修飾靜態(tài)方法時(shí)，使用類類型（Class 的對(duì)象）監(jiān)視器

• 修飾代碼塊時(shí)，使用括號(hào)中的對(duì)象的監(jiān)視器

• 必須為 Object 類或其子類的對(duì)象

MonitorEnter（加鎖）：

• 每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)關(guān)聯(lián)的監(jiān)視器。

• 監(jiān)視器被鎖住，當(dāng)且僅當(dāng)它有屬主(Owner)時(shí)。

• 線程執(zhí)行MonitorEnter就是為了成為Monitor的屬主。

• 如果 Monitor 對(duì)象的記錄數(shù)(Entry Count，擁有它的線程的重入次數(shù))為 0， 將其置為 1，線程將自己置為 Monitor 對(duì)象的屬主。

• 如果Monitor的屬主為當(dāng)前線程，就會(huì)重入監(jiān)視器，將其記錄數(shù)增一。

• 如果Monitor的屬主為其它線程，當(dāng)前線程會(huì)阻塞，直到記錄數(shù)為0，才會(huì) 去競(jìng)爭(zhēng)屬主權(quán)。

MonitorExit（解鎖）：

• 執(zhí)行MonitorExit的線程一定是這個(gè)對(duì)象所關(guān)聯(lián)的監(jiān)視器的屬主。

• 線程將Monitor對(duì)象的記錄數(shù)減一。

• 如果Monitor對(duì)象的記錄數(shù)為0，線程就會(huì)執(zhí)行退出動(dòng)作，不再是屬主。

• 此時(shí)其它阻塞的線程就被允許競(jìng)爭(zhēng)屬主。

對(duì)于 MonitorEnter、MonitorExit 來說，有兩個(gè)基本參數(shù):

• 線程

• 關(guān)聯(lián)監(jiān)視器的對(duì)象

關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

在 JVM 中，對(duì)象在內(nèi)存中的布局分為三塊區(qū)域：對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)、對(duì)齊填充。如下:

實(shí)例變量

• 存放類的屬性數(shù)據(jù)信息，包括父類的屬性信息

• 如果是數(shù)組的實(shí)例變量，還包括數(shù)組的長(zhǎng)度

• 這部分內(nèi)存按4字節(jié)對(duì)齊

填充數(shù)據(jù)

• 由于虛擬機(jī)要求對(duì)象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍

• 填充數(shù)據(jù)僅僅是為了字節(jié)對(duì)齊

• 保障下一個(gè)對(duì)象的起始地址為 8 的整數(shù)倍

• 長(zhǎng)度可能為0

對(duì)象頭（Object Header）

• 對(duì)象頭由 Mark Word 、Class Metadata Address（類元數(shù)據(jù)地址） 和 數(shù)組長(zhǎng)度（對(duì)象為數(shù)組時(shí)）組成

• 在 32 位和 64 位的虛擬機(jī)中，Mark Word 分別占用 32 字節(jié)和 64 字節(jié)，因此稱其為 word

Mark Word 存儲(chǔ)的并非對(duì)象的 實(shí)際業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（如對(duì)象的字段值），屬于 額外存儲(chǔ)成本。為了節(jié)約存儲(chǔ)空間，Mark Word 被設(shè)計(jì)為一個(gè) 非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便在盡量小的空間中存儲(chǔ)盡量多的數(shù)據(jù)，它會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)，變換自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間。 鎖的狀態(tài)共有 4 種:無鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖。隨著競(jìng)爭(zhēng)的增加，鎖的使用情況如下:

無鎖 -> 偏向鎖 -> 輕量級(jí)鎖 -> 重量級(jí)鎖

其中偏向鎖和輕量級(jí)鎖是從 JDK 6 時(shí)引入的，在 JDK 6 中默認(rèn)開啟。鎖的升級(jí)(鎖膨脹，inflate)是單向的，只能從低到高(從左到右)。不會(huì)出現(xiàn) 鎖的降級(jí)。

偏向鎖

當(dāng)鎖對(duì)象第一次被線程獲取的時(shí)候，虛擬機(jī)將會(huì)把對(duì)象頭中的標(biāo)志位設(shè)為“01” （可偏向），即偏向模式。同時(shí)使用CAS操作把獲取到這個(gè)鎖的線程的ID記錄在對(duì)象的Mark Word之中，如果CAS操作成功，持有偏向鎖的線程以后每次進(jìn)入這個(gè)鎖相關(guān)的同步塊時(shí)，虛擬機(jī)都可以不再進(jìn)行任何同步操作。

當(dāng)有另外一個(gè)線程去嘗試獲取這個(gè)鎖時(shí)，偏向模式就宣告結(jié)束。根據(jù)鎖對(duì)象目前是否處于被鎖定的狀態(tài)，撤銷偏向（Revoke Bias）后恢復(fù)到未鎖定（標(biāo)志位為“01”，不可偏向）或 輕量級(jí)鎖定（標(biāo)志位為“00”）的狀態(tài)，后續(xù)的同步操作就進(jìn)入輕量級(jí)鎖的流程。

輕量級(jí)鎖

進(jìn)入到輕量級(jí)鎖說明不止一個(gè)線程嘗試獲取鎖，這個(gè)階段會(huì)通過自適應(yīng)自旋CAS方式獲取鎖。如果獲取失敗，則進(jìn)行鎖膨脹，進(jìn)入重量級(jí)鎖流程，線程阻塞。

重量級(jí)鎖

重量級(jí)鎖是通過系統(tǒng)的線程互斥鎖來實(shí)現(xiàn)的，代價(jià)最昂貴 ContentionList，CXQ，存放最近競(jìng)爭(zhēng)鎖的線程

• LIFO，單向鏈表

• 很多線程都可以把請(qǐng)求鎖的線程放入隊(duì)列中

• 但只有一個(gè)線程能將線程出隊(duì)

• EntryLis，表示勝者組

雙向鏈表

• 只有擁有鎖的線程才可以訪問或變更 EntryLis

• 只有擁有鎖的線程在釋放鎖時(shí)，并且在 EntryList 為空、ContentionList 不為 空的情況下，才能將ContentionList 中的線程全部出隊(duì)，放入到EntryList 中

WaitSet，存放處于等待狀態(tài)的線程

• 將進(jìn)行 wait() 調(diào)用的線程放入WaitSet

• 當(dāng)進(jìn)行 notify()、notifyAll()調(diào)用時(shí)，會(huì)將線程放入到ContentionList或EntryList 隊(duì)列中

注意：

• 對(duì)一個(gè)線程而言，在任何時(shí)候最多只處于三個(gè)集合中的一個(gè)

• 處于這三個(gè)集合中的線程，均為 BLOCKED 狀態(tài)，底層使用互斥量來進(jìn)行阻塞

當(dāng)一個(gè)線程成功獲取到鎖時(shí) 對(duì)象監(jiān)視器的 owner 字段從 NULL 變?yōu)榉强眨赶虼司€程 必須將自己從ContentionList或EntryList中出隊(duì)

競(jìng)爭(zhēng)型的鎖傳遞機(jī)制 線程釋放鎖時(shí)，不保證后繼線程一定可以獲得到鎖，而是后繼線程去競(jìng)爭(zhēng)鎖

OnDeck，表示準(zhǔn)備就緒的線程，保證任何時(shí)候都只有一個(gè)線程來直接競(jìng)爭(zhēng) 鎖

• 在獲取鎖時(shí)，如果發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，則使用自旋鎖來爭(zhēng)用，如果自旋后仍得不 到，再放入上述隊(duì)列中。

• 自旋可以減少ContentionList和EntryList上出隊(duì)入隊(duì)的操作，也就是減少了內(nèi)部 維護(hù)的這些鎖的爭(zhēng)用。

OS 互斥鎖

重量級(jí)鎖是通過操作系統(tǒng)的線程互斥鎖來實(shí)現(xiàn)的，在 Linux 下，鎖所用的技術(shù)是 pthead_mutex_lock / pthead_mutex_unlock，即線程間的互斥鎖。

線程互斥鎖是基于 futex（Fast Userspace Mutex）機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。常規(guī)的操作系統(tǒng)的同步機(jī)制(如 IPC 等)，調(diào)用時(shí)都需要陷入到內(nèi)核中執(zhí)行，即使沒有競(jìng)爭(zhēng)也要執(zhí)行一次陷入操作(int 0x80，trap)。而 futex 則是內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的混合，無競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，獲取鎖和釋放鎖都不需要陷入內(nèi)核。

初始分配

首先在內(nèi)存分配 futex 共享變量，對(duì)線程而言，內(nèi)存是共享的，直接分配(malloc)即可，為整數(shù)類型，初始值為1。

獲取鎖

使用CAS對(duì) futex 變量減1，觀察其結(jié)果：

• 如果由1變?yōu)?，表示無競(jìng)爭(zhēng)，繼續(xù)執(zhí)行

• 如果小于 0，表示有競(jìng)爭(zhēng)，調(diào)用 futex(..., FUTEX_WAIT, ...) 使當(dāng)前線程休眠

釋放鎖

使用CAS給futex變量加1

• 如果futex變量由0變?yōu)?，表示無競(jìng)爭(zhēng)，繼續(xù)執(zhí)行

• 如果 futex 變量變化前為負(fù)值，表示有競(jìng)爭(zhēng)，調(diào)用 futex(..., FUTEX_WAKE, ...) 喚醒一個(gè)或多個(gè)等待線程

到此，關(guān)于“Java鎖機(jī)制的原理和應(yīng)用”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實(shí)踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識(shí)，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，小編會(huì)繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬?shí)用的文章！

本文題目：Java鎖機(jī)制的原理和應(yīng)用
本文來源：http://www.chinadenli.net/article18/iieegp.html

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