Android java synchronized原理

synchronized 的实现原理

Synchronized 在 JVM 里的实现都是基于进入和退出 Monitor 对象来实现方法同步和代码块同步，虽然具体实现细节不一样，但是都可以通过成对的 MonitorEnter 和 MonitorExit 指令来实现。

1.对同步块，MonitorEnter 指令插入在同步代码块的开始位置，当代码执行到该指令时，将会尝试获取该对象 Monitor 的所有权，即尝试获得该对象的锁，而 monitorExit 指令则插入在方法结束处和异常处，JVM 保证每个 MonitorEnter 必须有对应的 MonitorExit。
2.对同步方法，从同步方法反编译的结果来看，方法的同步并没有通过指令 monitorenter 和 monitorexit 来实现，相对于普通方法，其常量池中多了 ACC_SYNCHRONIZED 标示符。
JVM 就是根据该标示符来实现方法的同步的:当方法被调用时，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，执行线程将先获取 monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放 monitor。在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个 monitor 对象。

synchronized 使用的锁是存放在 Java 对象头里面，具体位置是对象头里面的 MarkWord，MarkWord 里默认数据是存储对象的 HashCode 等信息，但是会随着对象的运行改变而发生变化，不同的锁状态对应着不同的记录存储方式

锁的状态

一共有四种状态，无锁状态，偏向锁状态，轻量级锁状态和重量级锁状态，它会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

自旋锁

1.原理

自旋锁原理非常简单，如果持有锁的线程能在很短时间内释放锁资源，那么那些等待竞争锁的线程就不需要做内核态和用户态之间的切换进入阻塞挂起状态，它们只需要等一等(自旋)，等持有锁的线程释放锁后即可立即获取锁，这样就避免用户线程和内核的切换的消耗。
但是线程自旋是需要消耗 CPU 的，说白了就是让 CPU 在做无用功，线程不能一直占用 CPU 自旋做无用功，所以需要设定一个自旋等待的最大时间。
如果持有锁的线程执行的时间超过自旋等待的最大时间扔没有释放锁，就会导致其它争用锁的线程在最大等待时间内还是获取不到锁，这时争用线程会停止自旋进入阻塞状态。

2.自旋锁的优缺点

自旋锁尽可能的减少线程的阻塞，这对于锁的竞争不激烈，且占用锁时间非常短的代码块来说性能能大幅度的提升，因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起操作的消耗!
但是如果锁的竞争激烈，或者持有锁的线程需要长时间占用锁执行同步块，这时候就不适合使用自旋锁了，因为自旋锁在获取锁前一直都是占用 cpu 做无用功，线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操作的消耗，其它需要cup 的线程又不能获取到 cpu，造成 cpu 的浪费。

3.自旋锁时间阈值

自旋锁的目的是为了占着 CPU 的资源不释放，等到获取到锁立即进行处理。但是如何去选择自旋的执行时间呢?如果自旋执行时间太长，会有大量的线程处于自旋状态占用 CPU 资源，进而会影响整体系统的性能。因此自旋次数很重要
JVM 对于自旋次数的选择，jdk1.5 默认为 10 次，在 1.6 引入了适应性自旋锁，适应性自旋锁意味着自旋的时间不在是固定的了，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间以及锁的拥有者的状态来决定，基本认为一个线程上下文切换的时间是最佳的一个时间。
JDK1.6 中-XX:+UseSpinning 开启自旋锁; JDK1.7 后，去掉此参数，由 jvm 控制;

偏向锁

1.引入背景:

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，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁，减少不必要的 CAS 操作。

2.偏向锁定义

顾名思义，它会偏向于第一个访问锁的线程，如果在运行过程中，同步锁只有一个线程访问，不存在多线程争用的情况，则线程是不需要触发同步的，减少加锁/解锁的一些 CAS 操作(比如等待队列的一些 CAS 操作)，这种情况下，就会给线程加一个偏向锁。如果在运行过程中，遇到了其他线程抢占锁，则持有偏向锁的线程会被挂起，JVM 会消除它身上的偏向锁，将锁恢复到标准的轻量级锁。它通过消除资源无竞争情况下的同步原语，进一步提高了程序的运行性能。

3.偏向锁获取过程:

步骤 1、 访问 Mark Word 中偏向锁的标识是否设置成 1，锁标志位是否为01，确认为可偏向状态。
步骤 2、 如果为可偏向状态，则测试线程 ID 是否指向当前线程，如果是，进入步骤 5，否则进入步骤 3。
步骤 3、 如果线程 ID 并未指向当前线程，则通过 CAS 操作竞争锁。如果竞争成功，则将 Mark Word 中线程 ID 设置为当前线程 ID，然后执行 5;如果竞争失败，执行 4。
步骤 4、 如果 CAS 获取偏向锁失败，则表示有竞争。当到达全局安全点 (safepoint)时获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码。(撤销偏向锁的时候会导致 stop the word)
步骤 5、执行同步代码。

4.偏向锁的释放:

偏向锁的撤销在上述第四步骤中有提到。偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放偏向锁，线程不会主动去释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点(在这个时间点上没有字节码正在执行)，它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态，撤销偏向锁后恢复到未锁定(标志位为“01”)或轻量级锁(标志位为“00”)的状态。

5.偏向锁的适用场景

始终只有一个线程在执行同步块，在它没有执行完释放锁之前，没有其它线程去执行同步块，在锁无竞争的情况下使用，一旦有了竞争就升级为轻量级锁，升级为轻量级锁的时候需要撤销偏向锁，撤销偏向锁的时候会导致 stop the word 操作;在有锁的竞争时，偏向锁会多做很多额外操作，尤其是撤销偏向所的时候会导致进入安全点，安全点会导致 stw，导致性能下降，这种情况下应当禁用。
jvm 开启/关闭偏向锁
开启偏向锁:-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 关闭偏向锁:-XX:-UseBiasedLocking

轻量级锁

轻量级锁是由偏向锁升级来的，偏向锁运行在一个线程进入同步块的情况下，当第二个线程加入锁争用的时候，偏向锁就会升级为轻量级锁;

轻量级锁的加锁过程:

在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态且不允许进行偏向 (锁标志位为“01”状态，是否为偏向锁为“0”)，虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录(Lock Record)的空间，用于存储锁对象目前的 Mark Word 的拷贝，官方称之为 Displaced Mark Word。
拷贝成功后，虚拟机将使用 CAS 操作尝试将对象的 Mark Word 更新为指向 Lock Record 的指针，并将 Lock record 里的 owner 指针指向 object mark word。如果更新成功，则执行步骤 4，否则执行步骤 5。
如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象 Mark Word 的锁标志位设置为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态
如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的 Mark Word 是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行。否则说明多个线程竞争锁，当竞争线程尝试占用轻量级锁失败多次之后，轻量级锁就会膨胀为重量级锁，重量级线程指针指向竞争线程，竞争线程也会阻塞，等待轻量级线程释放锁后唤醒他。锁标志的状态值变为“10”， Mark Word 中存储的就是指向重量级锁(互斥量)的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。