关于linux:Java-并发编程解析-如何正确理解Java领域中的并发锁我们应该具体掌握到什么程度

天穹之边，浩瀚之挚，眰恦之美；悟心悟性，虎头蛇尾，惟善惟道！—— 朝槿《朝槿兮年说》

写在结尾

对于 Java 畛域中的锁，其实从接触 Java 至今，我置信每一位 Java Developer 都会有这样的一个感觉？不论是 Java 对锁的实现还是利用，真的是一种“群英荟萃”，而且每一种锁都有点各有各的驴，各有各的本，各不相同。

在很多状况下，以及在各种锁的利用场景里，各式各样的定义，难免会让咱们感觉莫衷一是，很难分明该如何对这些锁做到得心应手？

在并发编程色世界中，个别状况下，咱们只需理解其是如何应用锁之后就曾经满足咱们大部分的需要，然而作为一名对技术钻研有执念和激情的人来说，深刻探索和剖析才是对技术的探秘之乐趣。

作为一名 Java Developer 来说，深刻探索和剖析和正确理解和把握这些锁的机制和原理，须要咱们带着一些理论问题，通过对其探索剖析和加上理论利用剖析，能力真正意义上了解和把握。

一般来说，针对于不同场景提供的锁，都用于解决什么问题？不论是从实现形式上，还是从应用场景上，都能够应答这些锁的特点，咱们又该如何意识和了解？

接下来，明天咱们就一起来盘一盘，Java 畛域中那些并发锁，盘点一下相干的锁，从设计根本思维和设计实现，以及利用剖析等方面来总体剖析探讨一下。

关健术语

本文用到的一些要害词语以及罕用术语，次要如下：

• 过程(Process): 计算机中的程序对于某数据汇合上的一次运行流动，是零碎进行资源分配和调度的根本单位，是操作系统构造的根底。在晚期面向过程设计的计算机构造中，过程是程序的根本执行实体；在当代面向线程设计的计算机构造中，过程是线程的容器。
• 线程(thread): 操作系统可能进行运算调度的最小单位。它被蕴含在过程之中，是过程中的理论运作单位。在 Unix System V 及 SunOS 中也被称为轻量过程（Light-Weight Processes），但轻量过程更多指内核线程（Kernel Thread），而把用户线程（User Thread）称为线程。

根本概述

在 Java 畛域中，单纯从 Java 对其实现的形式上来看，咱们大体上能够将其分为基于 Java 语法层面 (关键词) 实现的锁和基于 JDK 层面实现的锁。

基于这两个基本点，能够作为咱们对于 Java 畛域中的锁的一个根底意识，这对于咱们意识和理解 Java 畛域中的锁领导一个参考方向。

一般来说，锁是并发编程中最根底和最罕用的一项技术，而且在 Java 的外部 JDK 中其应用也是十分地宽泛。

接下来，咱们便一起探索和认识一下 Java 畛域中的各种各样的锁。

一. 锁的根本实践

锁的根本实践次要是指从锁的根本定义和根本特点以及根本意义去剖析的个别模型实践，是一套帮忙咱们意识和理解锁的简略的思维方法论。

个别在理解一个事物之前，咱们都会依照根本定义，根本特点以及根本意义去对待这个事物。在计算机的世界里，锁自身也和咱们理论生存一样，也是一个比拟广泛且利用场景繁多的一种事物。

比方，在操作系统中，也定义了各种各样的锁；在数据库系统中也呈现了锁。甚至，在 CPU 处理器架构中都会看见锁的身影。

然而，这里就会有一个问题：既然都在应用锁，可是对于锁该去如何定义，仿佛都很难给出一个精确的定义？换而言之，这兴许就是咱们对于锁只是晓得有这个货色，然而始终有云里雾里的根本起因。

从实质上讲，计算机软件开发畛域中的锁是一种协调多个过程 或者多个线程对某一个资源的拜访的管制机制，其外围是作用于资源，也作用于着这个定义中提到的过程和线程等。其中：

• 过程(Process): 操作系统进行资源分配和调度的根本单位，是计算机程序中的实体，其中，程序是指令、数据及其组织模式的形容。
• 线程(Thread) : 操作系统可能进行运算调度的最小单位，一条线程指的是过程中一个繁多程序的控制流，一个过程中能够并发多个线程，每条线程并行执行不同的工作。

一般来说，线程次要分为位于零碎内核空间的线程称为内核线程（Kernel Thread)和位于应用程序的用户空间的线程被称为用户线程（User Thread)两种，其中：

也就是咱们个别说的 Java 线程等均属于用户线程, 而内核线程次要是操作系统封装的函数库以及 API 等。

而且最关健的就是，咱们素日里所提到 Java 线程和 JVM 都是位于用户空间之中，从 Java 层到操作系统零碎的线程调度程序来看，个别流程是：java.lang.Thread(Target Thread)->Java Thread->OSThread->pthread->Kernel Thread。

简略来说，在 Java 畛域中，锁是用于管制多个线程访问共享资源的工具。个别，锁提供对共享资源的独立拜访：一次只有一个线程能够获取锁，所有对共享资源的拜访都须要先获取锁。然而，某些锁能够并发访问共享资源。

对于并发访问共享资源来说，次要是根据当初大多数操作系统的线程的调度形式是抢占式调度，因而加锁是为了保护数据的一致性和完整性，其实就是数据的安全性。

综上所述，咱们便能够失去一个对于锁的根本概念模型，接下来咱们便来一一盘点以下次要有哪些锁。

二. 锁的根本分类

在 Java 畛域中，咱们能够将锁大抵分为基于 Java 语法层面 (关键词) 实现的锁和基于 JDK 层面实现的锁。

单纯从 Java 对其实现的形式上来看，咱们大体上能够将其分为基于 Java 语法层面 (关键词) 实现的锁和基于 JDK 层面实现的锁。其中：

• Java 内置锁：基于 Java 语法层面 (关键词) 实现的锁，次要是依据 Java 语义来实现，最典型的利用就是 synchronized。
• Java 显式锁：基于 JDK 层面实现的锁，次要是依据基于 Lock 接口和 ReadWriteLock 接口，以及对立的 AQS 根底同步器等来实现，最典型的有 ReentrantLock。

须要特地留神的是，在 Java 畛域中，基于 JDK 层面的锁通过 CAS 操作解决了并发编程中的原子性问题，而基于 Java 语法层面实现的锁解决了并发编程中的原子性问题和可见性问题。

除此之外之外，在 Java 并发容器中曾用到过一种 Segment 数组构造来实现的分段锁。

而从具体到对应的 Java 线程资源来说，咱们依照是否含有某一个性来定义锁，次要能够从如下几个方面来看：

• 从加锁对象角度方面上来看，线程要不要锁住同步资源？如果是须要加锁，锁住同步资源的状况下，个别称其为乐观锁；否则，如果是不须要加锁，且不必锁住同步资源的状况就属于为乐观锁。
• 从获取锁的解决形式上来看，假如锁住同步资源，其对该线程是否进入睡眠状态或者阻塞状态？如果会进入睡眠状态或者阻塞状态，个别称其为互斥锁，否则，不会进入睡眠状态或者阻塞状态属于一种非阻塞锁，即就是自旋锁。

• 从锁的变动状态方面来看，多个线程在竞争资源的流程细节上是否有差异？

  • 首先，对于不会锁住资源，多个线程只有一个线程能批改资源胜利，其余线程会根据理论状况进行重试，即就是不存在竞争的状况，个别属于无锁。
  • 其次，对于同一个线程执行同步资源会主动获取锁资源，个别属于偏差锁。
  • 然而，对于多线程竞争同步资源时，没有获取到锁资源的线程会自旋期待锁开释，个别属于轻量级锁。
  • 最初，对于多线程竞争同步资源时，没有获取到锁资源的线程会阻塞期待唤醒，个别属于重量级锁。
• 从锁竞争时公平性上来看，多个线程在竞争资源时是否须要排队期待？如果是须要排队期待的状况，个别属于偏心锁；否则，先插队，而后再尝试排队的状况属于非偏心锁。
• 从获取锁的操作频率次数来看，一个线程中的多个流程是否能够获取同一把锁？如果是能够屡次进行加锁操作的状况，个别属于可重入锁，否则，能够屡次进行加锁操作的状况属于非可重入锁。
• 从获取锁的占有形式上来看，多个线程能不能共享一把锁？如果是能够共享锁资源的状况，个别属于共享锁；否则，独占锁资源的状况属于排他锁。

针对于上述形容的各种状况，接下来，咱们便来一起具体看看，在 Java 畛域中，这个锁的具体情况。

三.Java 内置锁

在 Java 畛域中，Java 内置锁次要是指基于 Java 语法层面 (关键词) 实现的锁。

在 Java 畛域中，咱们把基于 Java 语法层面 (关键词) 实现的锁称为内置锁，比方 synchronized 关键字。

对于 synchronized 关键字的解释，最间接的就是 Java 语言中为开发人员提供的同步工具，能够看作是 Java 中的一种“语法糖”。次要主旨在于解决多线程并发执行过程中数据同步的问题。

不像其余的编程语言(C++), 在解决同步问题时都须要本人进行锁解决，次要特点就是简略，间接申明即可。

在 Java 程序中，利用 synchronized 关键字来对程序进行加锁，其实现同步的语义是互斥锁。既能够用来申明一个 synchronized 代码块，也能够间接标记静态方法或者实例办法。

其中，对于互斥的概念来说，在数学领域来讲，是一个数学名词，示意和形容的是事件 A 与事件 B 在任何一次试验中都不会同时产生，则称事件 A 与事件 B 互斥。

因而，对于互斥锁能够了解为：对于某一个锁来说，任意时刻只能有一个线程取得该锁，对于其余线程想获取锁的时候就得期待或者被阻塞。

1. 应用形式

在 Java 畛域中，synchronized 关键字互斥锁次要有作用于对象办法下面，作用于类静态方法下面，作用于对象办法外面，作用于类静态方法外面等 4 种形式。

在 Java 畛域中，synchronized 关键字从应用形式来看，次要能够分为：

• 作用于对象办法下面：

  • 形容对象的办法，示意该对象的办法具备同步性。因为形容的对象的办法，作用范畴是在对象(Object)，整个对象充当了锁。
  • 须要留神的是，类能够实例化多个对象，这时每一个对象都是一个锁，每个锁的范畴相当于是以后对象来说的。

• 作用于类静态方法下面：

  • 形容类的静态方法，示意该办法具备同步性。因为形容的类动态的办法，作用范畴是在类(Class)，整个类充当了锁。
  • 须要留神的是，某一个类的自身也是一个对象，JVM 应用这个对象作为模板去生成该类的对象时，每个锁的范畴相当于是以后类来说的。

• 作用于对象办法外面：

  • 形容办法外部的某块逻辑，示意该代码块具备同步性。
  • 须要留神的是，个别须要咱们指定对象，比方 synchronized(this){xxx}是指以后对象的，也能够创立一个对象来作为锁。

• 作用于类静态方法外面：

  • 形容静态方法外部的某块逻辑，示意该代码块具备同步性。
  • 须要留神的是，个别须要咱们指定锁对象，比方 synchronized(this){xxx}是指以后类 class 作为锁对象的，也能够创立一个对象来作为锁。

个别当咱们在编写代码的过程中，如果依照上述形式申明时，被 synchronized 关键字申明的代码会比一般代码在编译之后，应用 javap -c xxx.class 查看字节码，就会发现多两个 monitorenter 和 monitorexit 指令。

2. 根本思维

在 Java 畛域中，synchronized 关键字互斥锁次要基于一个阻塞队列和期待对列，相似于一种“期待 - 告诉”的工作机制来实现。

个别状况下，“期待 – 告诉”的工作机制的要求是线程首先获取互斥锁，其中：

• 当线程要求的条件不满足时，开释互斥锁，进入期待状态。
• 当要求的条件满足时，告诉期待的线程，从新获取互斥锁。

在 Java 畛域中，Java 语言内置的 synchronized 配合 java.lang.Object 类定义的 wait()、notify()、notifyAll() 这三个办法就能轻松实现期待 – 告诉机制，其中：

• wait：示意持有对象锁的线程 A 筹备开释对象锁权限，开释 cpu 资源并进入期待。
• notify：示意持有对象锁的线程 A 筹备开释对象锁权限，告诉 jvm 唤醒某个竞争该对象锁的线程 X。线程 A synchronized 代码作用域完结后，线程 X 间接取得对象锁权限，其余竞争线程持续期待(即便线程 X 同步结束，开释对象锁，其余竞争线程依然期待，直至有新的 notify ,notifyAll 被调用)。
• 示意持有对象锁的线程 A 筹备开释对象锁权限，告诉 jvm 唤醒所有竞争该对象锁的线程，线程 A synchronized 代码作用域完结后，jvm 通过算法将对象锁权限指派给某个线程 X，所有被唤醒的线程不再期待。线程 X synchronized 代码作用域完结后，之前所有被唤醒的线程都有可能取得该对象锁权限，这个由 JVM 算法决定。

一个线程一旦调用了任意对象的 wait()办法，就会变为非运行状态，直到另一个线程调用了同一个对象的 notify()办法。

为了调用 wait()或者 notify()，线程必须先取得那个对象的锁。也就是说，线程必须在同步块里调用 wait()或者 notify()。

对于期待队列的工作机制来说，同一时刻，只容许一个线程进入 synchronized 爱护的临界区。当有一个线程进入临界区后，其余线程就只能进入图中右边的期待队列里期待。这个期待队列和互斥锁是一对一的关系，每个互斥锁都有本人独立的期待队列。在并发程序中，其中：

• 当一个线程进入临界区后，因为某些条件不满足，须要进入期待状态，Java 对象的 wait() 办法就可能满足这种需要。
• 当调用 wait() 办法后，以后线程就会被阻塞，并且进入到左边的期待队列中，这个期待队列也是互斥锁的期待队列。
• 线程在进入期待队列的同时，会开释持有的互斥锁，线程开释锁后，其余线程就有机会取得锁，并进入临界区了。

对于告诉队列的工作机制来说，那线程要求的条件满足时，该怎么告诉这个期待的线程呢？很简略，就是 Java 对象的 notify() 和 notifyAll() 办法。当条件满足时调用 notify()，会告诉期待队列（互斥锁的期待队列）中的线程，通知它条件已经满足过。为什么说是已经满足过呢？其中：

• 因为 notify() 只能保障在告诉工夫点，条件是满足的。
• 而被告诉线程的执行工夫点和告诉的工夫点基本上不会重合，所以当线程执行的时候，很可能条件曾经不满足了（保不齐有其余线程插队）。
• 除此之外，还有一个须要留神的点，被告诉的线程要想从新执行，依然须要获取到互斥锁（因为已经获取的锁在调用 wait() 时曾经开释了）。

下面咱们始终强调 wait()、notify()、notifyAll() 办法操作的期待队列是互斥锁的期待队列，其中：

• 如果 synchronized 锁定的是 this，那么对应的肯定是 this.wait()、this.notify()、this.notifyAll()；
• 如果 synchronized 锁定的是 target，那么对应的肯定是 target.wait()、target.notify()、target.notifyAll()。

而且 wait()、notify()、notifyAll() 这三个办法可能被调用的前提是曾经获取了相应的互斥锁，所以咱们会发现 wait()、notify()、notifyAll() 都是在 synchronized{}外部被调用的。

如果在 synchronized{}内部调用，或者锁定的 this，而用 target.wait() 调用的话，JVM 会抛出一个运行时异样：java.lang.IllegalMonitorStateException。

对于和 notifyAll() 和 notify()来实现告诉机制，特地须要留神的是，两者之间的区别：

• notify()办法：随机地告诉期待队列中的一个线程。
• notifyAll()办法：告诉期待队列中的所有线程。

从感觉上来讲，应该是 notify() 更好一些，因为即使告诉所有线程，也只有一个线程可能进入临界区。然而实际上应用 notify() 也很有危险，次要在于可能导致某些线程永远不会被告诉到。

在具体应用过程中，所以除非通过三思而行，个别举荐尽量应用 notifyAll()。

3. 根本实现

在 Java 畛域中，synchronized 关键字互斥锁次要基于 Java HotSpot(TM) VM 虚拟机通过 Monitor(监视器)来实现 monitorenter 和 monitorexit 指令的。

在 Java HotSpot(TM) VM 虚拟机中，次要是通过 Monitor(监视器)来实现 monitorenter 和 monitorexit 指令的，Monitor(监视器）个别包含一个阻塞队列和一个期待队列，其中：

• 阻塞队列 : 用来保留锁竞争失败的线程，它们处于阻塞状态。
• 期待队列：用来放弃 synchronized 关键字块中的调用 wait()办法后搁置的队列。

其中，须要留神的是，当调用 wait()办法后会开释锁并告诉阻塞队列。

一般来说，当 Java 字节码 (class) 被托管到 Java HotSpot(TM) VM 虚拟机后，Monitor(监视器)就被采纳 ObjectMonitor 接管，其中：

• 每⼀个对象都有⼀个属于⾃⼰的 monitor，其次如果线程未获取到 singal (许可)，则线程阻塞。
• monitor 相当于⼀个对象的钥匙，只有拿到此对象的 monitor，能力拜访该对象的同步代码。相同未取得 monitor 的只能阻塞来期待持有 monitor 的线程开释 monitor。

对于 monitorenter 指令来说，其中：

• ⼀个对象都会和⼀个监视器 monitor 关联。监视器被占⽤时会被锁住，其余线程⽆法来获取该 monitor。当 JVM 执⾏某个线程的某个⽅法外部的 monitorenter 时，它会尝试去获取以后对象对应的 monitor 的所有权。
• synchronized 的锁对象会关联⼀个 monitor，这个 monitor 不是咱们被动创立的，是 JVM 的线程执⾏到这个同步代码块，发现锁对象没有 monitor 就会创立 monitor，monitor 外部有两个重要的成员变量 owner：领有这把锁的线程，recursions 会记录线程领有锁的次数，当⼀个线程领有 monitor 后其余线程只能期待。

次要工作流程如下：

• 若 monior 的进⼊数为 0，线程能够进⼊ monitor，进入后将 monitor 的进数置为 1。以后线程成为 monitor 的 owner(所有者)。
• 若线程已领有 monitor 的所有权，容许它重⼊ monitor，则进⼊ monitor 的进⼊数再加 1。
• 若其余线程曾经占有 monitor 的所有权，那么以后尝试获取 monitor 的所有权的线程会被阻塞。直到 monitor 的进⼊数变为 0，能力从新尝试获取 monitor 的所有权。

对于 monitorexit 指令来说，其中：

• 能执⾏ monitorexit 指令的线程，⼀定是领有以后对象的 monitor 的所有权的线程。
• 执⾏ monitorexit 时会将 monitor 的进⼊数减 1。当 monitor 的进⼊数减为 0 时，以后线程退出 monitor，不再领有 monitor 的所有权，此时其余被这个 monitor 阻塞的线程能够尝试去获取这个 monitor 的所有权。

次要工作流程如下：

• monitorexit，指令呈现了两次，第 1 次为同步失常退出开释锁；第 2 次为产生异样退出开释锁。
• monitorexit 开释锁 monitorexit 插⼊在⽅法完结处和异样处，JVM 保障每个 monitorenter 必须有对应的 monitorexit。

综上所述，monitorenter 和 monitorexit 两个指令的执行是 JVM 通过调用操作系统的互斥原语 mutex 来实现。被阻塞的线程会被挂起、期待从新调度，会导致 ” 用户态和内核态 ” 两个态之间来回切换，对性能有较大影响。

4. 具体实现

在 Java 畛域中，JVM 中每个对象都会有一个监视器，监视器和对象一起创立、销毁。监视器相当于一个用来监督这些线程进入的非凡房间，其任务是保障（同一时间）只有一个线程能够拜访被爱护的临界区代码块。

实质上，监视器是一种同步工具，也能够说是一种同步机制，次要特点是：

• 同步：监视器所爱护的临界区代码是互斥地执行的。一个监视器是一个运行许可，任一线程进入临界区代码都须要取得这个许可，来到时把许可偿还。
• 合作：监视器提供 Signal 机制，容许正持有许可的线程临时放弃许可进入阻塞期待状态，期待其余线程发送 Signal 去唤醒；其余领有许可的线程能够发送 Signal，唤醒正在阻塞期待的线程，让它能够从新取得许可并启动执行。

在 Hotspot 虚拟机中，监视器是由 C ++ 类 ObjectMonitor 实现的，ObjectMonitor 类定义在 ObjectMonitor.hpp 文件中，ObjectMonitor 的 Owner（_owner）、WaitSet（_WaitSet）、Cxq（_cxq）、EntryList（_EntryList）这几个属性比拟要害。

ObjectMonitor 的 WaitSet、Cxq、EntryList 这三个队列寄存争夺重量级锁的线程，而 ObjectMonitor 的 Owner 所指向的线程即为取得锁的线程。其中：

• Cxq：竞争队列（Contention Queue），所有申请锁的线程首先被放在这个竞争队列中
• EntryList：Cxq 中那些有资格成为候选资源的线程被挪动到 EntryList 中。
• WaitSet：某个领有 ObjectMonitor 的线程在调用 Object.wait()办法之后将被阻塞，而后该线程将被搁置在 WaitSet 链表中。

Cxq 并不是一个真正的队列，只是一个虚构队列，起因在于 Cxq 是由 Node 及其 next 指针逻辑形成的，并不存在一个队列的数据结构。每次新退出 Node 会在 Cxq 的队头进行，通过 CAS 扭转第一个节点的指针为新增节点，同时设置新增节点的 next 指向后续节点；从 Cxq 获得元素时，会从队尾获取。显然，Cxq 构造是一个无锁构造。
在线程进入 Cxq 前，抢锁线程会先尝试通过 CAS 自旋获取锁，如果获取不到，就进入 Cxq 队列，这显著对于曾经进入 Cxq 队列的线程是不偏心的。所以，synchronized 同步块所应用的重量级锁是不偏心锁。

EntryList 与 Cxq 在逻辑上都属于期待队列。Cxq 会被线程并发拜访，为了升高对 Cxq 队尾的争用，而建设 EntryList。在 Owner 线程开释锁时，JVM 会从 Cxq 中迁徙线程到 EntryList，并会指定 EntryList 中的某个线程（个别为 Head）为 OnDeck Thread（Ready Thread）。EntryList 中的线程作为候选竞争线程而存在。

JVM 不间接把锁传递给 Owner Thread，而是把锁竞争的权力交给 OnDeck Thread，OnDeck 须要从新竞争锁。这样尽管就义了一些公平性，然而能极大地晋升零碎的吞吐量，在 JVM 中，也把这种抉择行为称为“竞争切换”。
OnDeck Thread 获取到锁资源后会变为 Owner Thread。无奈取得锁的 OnDeck Thread 则会仍然留在 EntryList 中，思考到公平性，OnDeck Thread 在 EntryList 中的地位不发生变化（仍然在队头）。
在 OnDeck Thread 成为 Owner 的过程中，还有一个不偏心的事件，就是起初的新抢锁线程可能间接通过 CAS 自旋成为 Owner 而抢到锁。

如果 Owner 线程被 Object.wait()办法阻塞，就转移到 WaitSet 队列中，直到某个时刻通过 Object.notify()或者 Object.notifyAll()唤醒，该线程就会从新进入 EntryList 中。

处于 ContentionList、EntryList、WaitSet 中的线程都处于阻塞状态，线程的阻塞或者唤醒都须要操作系统来帮忙，Linux 内核下采纳 pthread_mutex_lock 零碎调用实现，过程须要从用户态切换到内核态。

5. 根本分类

在 Java 畛域中，synchronized 关键字互斥锁次要中内置锁一共有 4 种状态：无锁状态、偏差锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这些状态随着竞争状况逐步降级。

在 Java 畛域中，个别 Java 对象（Object 实例）构造包含三局部：对象头、对象体和对齐字节，其中：

• 对象头(Object Header)：对象头包含三个字段, 次要是作 Mark Word（标记字段）、Klass Pointer（类型指针）以及 Array Length（数组长度）等。
• 对象体(Object Data)：蕴含对象的实例变量（成员变量），用于成员属性值，包含父类的成员属性值。这部分内存按 4 字节对齐。

• 对齐字节(Padding): 也叫作填充对齐，其作用是用来保障 Java 对象所占内存字节数为 8 的倍数 HotSpot VM 的内存治理要求对象起始地址必须是 8 字节的整数倍。

  个别地，对象头自身是 8 的倍数，当对象的实例变量数据不是 8 的倍数时，便须要填充数据来保障 8 字节的对齐。

  下面在乐观锁和乐观锁分类时候，提到 synchronized 是乐观锁，以 Hotspot 虚拟机为例，在操作同步资源之前须要给同步资源先加锁，这把锁就是存在 Java 对象头里，其中：

• Mark Word（标记字段)：默认存储对象的 HashCode，分代年龄和锁标记位信息。这些信息都是与对象本身定义无关的数据，所以 Mark Word 被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的数据。它会依据对象的状态复用本人的存储空间，也就是说在运行期间 Mark Word 里存储的数据会随着锁标记位的变动而变动。

• Klass Pointer（类型指针）：对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

  而对于 synchronized 来说，synchronized 通过 Monitor 来实现线程同步，Monitor 是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock（互斥锁）来实现的线程同步，次要是通过 JVM 中 Monitor 监视器来实现 monitorenter 和 monitorexit 指令的，而 Monitor 能够了解为一个同步工具或一种同步机制，通常被形容为一个对象。每一个 Java 对象就有一把看不见的锁，称为外部锁或者 Monitor 锁。

Monitor 是线程公有的数据结构，每一个线程都有一个可用 monitor record 列表，同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个 monitor 关联，同时 monitor 中有一个 Owner 字段寄存领有该锁的线程的惟一标识，示意该锁被这个线程占用。

在 JDK 1.6 版本之前，所有的 Java 内置锁都是重量级锁。重量级锁会造成 CPU 在用户态和外围态之间频繁切换，所以代价高、效率低。

JDK 1.6 版本为了缩小取得锁和开释锁所带来的性能耗费，引入了偏差锁和轻量级锁的实现。

在 JDK 1.6 版本中内置锁一共有 4 种状态：无锁状态、偏差锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这些状态随着竞争状况逐步降级。其中：

• 无锁状态：Java 对象刚创立时还没有任何线程来竞争，阐明该对象处于无锁状态（无线程竞争它），这时偏差锁标识位是 0，锁状态是 01。
• 偏差锁状态：指一段同步代码始终被同一个线程所拜访，那么该线程会主动获取锁，升高获取锁的代价。如果内置锁处于偏差状态，当有一个线程来竞争锁时，先用偏差锁，示意内置锁偏爱这个线程，这个线程要执行该锁关联的同步代码时，不须要再做任何检查和切换。偏差锁在竞争不强烈的状况下效率十分高。
• 轻量级锁状态：当有两个线程开始竞争这个锁对象时，状况就发生变化了，不再是偏差（独占）锁了，锁会降级为轻量级锁，两个线程公平竞争，哪个线程先占有锁对象，锁对象的 Mark Word 就指向哪个线程的栈帧中的锁记录。
• 重量级锁状态：重量级锁会让其余申请的线程之间进入阻塞，性能升高。重量级锁也叫同步锁，这个锁对象 Mark Word 再次发生变化，会指向一个监视器对象，该监视器对象用汇合的模式来注销和治理排队的线程。

因而，根据上述的锁状态来看，咱们能够把 Java 内置锁分为无锁，偏差锁，轻量级锁和重量级锁等 4 种锁，其中：

• 无锁：示意 Java 对象实例刚创立，还没有锁参加竞争。即就是没有对资源进行锁定，所有的线程都能拜访并批改同一个资源，但同时只有一个线程能批改胜利。
• 偏差锁：偏差锁次要解决无竞争下的锁性能问题，所谓的偏差就是偏心，即锁会偏差于以后曾经占有锁的线程。指一段同步代码始终被一个线程所拜访，那么该线程会主动获取锁，升高获取锁的代价。
• 轻量级锁：轻量级锁次要有两种：一般自旋锁和自适应自旋锁。当锁是偏差锁的时候，被另外的线程所拜访，偏差锁就会降级为轻量级锁，其余线程会通过自旋的模式尝试获取锁，不会阻塞，从而进步性能。因为 JVM 轻量级锁应用 CAS 进行自旋抢锁，这些 CAS 操作都处于用户态下，过程不存在用户态和内核态之间的运行切换，JVM 轻量级锁开销较小。
• 重量级锁：JVM 重量级锁应用了 Linux 内核态下的互斥锁，降级为重量级锁时，期待锁的线程都会进入阻塞状态，其开销较大。

从锁降级的状态程序来看，只能是: 无锁 -> 偏差锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁 , 而且程序不可逆，也就是不能降级。

综上所述，在 Java 内置锁中，偏差锁通过比照 Mark Word 解决加锁问题，防止执行 CAS 操作。而轻量级锁是通过用 CAS 操作和自旋来解决加锁问题，防止线程阻塞和唤醒而影响性能。重量级锁是将除了领有锁的线程以外的线程都阻塞。

6. 利用剖析

在 Java 畛域中，synchronized 关键字互斥锁次要中内置锁应用简略，然而锁的粒度比拟大，无奈反对超时等。

从 synchronized 的执行过程，大抵如下：

• 线程抢锁时，JVM 首先检测内置锁对象 Mark Word 中的 biased_lock（偏差锁标识）是否设置成 1，lock（锁标记位）是否为 01，如果都满足，确认内置锁对象为可偏差状态。
• 在内置锁对象确认为可偏差状态之后，JVM 查看 Mark Word 中的线程 ID 是否为抢锁线程 ID，如果是，就示意抢锁线程处于偏差锁状态，抢锁线程疾速取得锁，开始执行临界区代码。
• 如果 Mark Word 中的线程 ID 并未指向抢锁线程，就通过 CAS 操作竞争锁。如果竞争胜利，就将 Mark Word 中的线程 ID 设置为抢锁线程，偏差标记位设置为 1，锁标记位设置为 01，而后执行临界区代码，此时内置锁对象处于偏差锁状态。
• 如果 CAS 操作竞争失败，就阐明产生了竞争，撤销偏差锁，进而降级为轻量级锁
• JVM 应用 CAS 将锁对象的 Mark Word 替换为抢锁线程的锁记录指针，如果胜利，抢锁线程就取得锁。如果替换失败，就示意其余线程竞争锁，JVM 尝试应用 CAS 自旋替换抢锁线程的锁记录指针，如果自旋胜利（抢锁胜利），那么锁对象仍然处于轻量级锁状态。
• 如果 JVM 的 CAS 替换锁记录指针自旋失败，轻量级锁就收缩为重量级锁，前面期待锁的线程也要进入阻塞状态。

总体来说，偏差锁是在没有产生锁争用的状况下应用的；一旦有了第二个线程争用锁，偏差锁就会降级为轻量级锁；如果锁争用很强烈，轻量级锁的 CAS 自旋达到阈值后，轻量级锁就会降级为重量级锁。

四.Java 显式锁

在 Java 畛域中，Java 显式锁次要是指基于 JDK 层面实现的锁。

在 Java 畛域中，基于 JDK 层面实现的锁都存在于 java.util.concurrent.locks 包上面，大抵能够分为：

• 基于 Lock 接口实现的锁
• 基于 ReadWriteLock 接口实现的锁
• 基于 AQS 根底同步器实现的锁
• 基于自定义 API 操作实现的锁

始终以来，并发编程畛域，有两大外围问题：一个是互斥，即同一时刻只容许一个线程访问共享资源；另一个是同步，即线程之间如何通信、合作等。

Java SDK 并发包通过 Lock 和 Condition 两个接口来实现管程，其中 Lock 用于解决互斥问题，Condition 用于解决同步问题。

1.JDK 源码

在 Java 畛域中，Java 显式锁从 JDK 源码体现进去的锁大抵能够分为基于 Lock 接口实现的锁，基于 ReadWriteLock 接口实现的锁，基于 AQS 根底同步器实现的锁，以及基于自定义 API 操作实现的锁等。

在 Java 畛域中，基于 JDK 源码层面体现进去的锁，次要分为如下几种：

• 基于 Lock 接口实现的锁：基于 Lock 接口实现的锁次要有 ReentrantLock。
• 基于 ReadWriteLock 接口实现的锁：基于 ReadWriteLock 接口实现的锁次要有 ReentrantReadWriteLock。
• 基于 AQS 根底同步器实现的锁：基于 AQS 根底同步器实现的锁次要有 CountDownLatch，Semaphore，ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock 等。
• 基于自定义 API 操作实现的锁：不依赖于上述三种形式来间接封装实现的锁，最典型是 JDK1.8 版本中提供的 StampedLock。

从肯定水平上说，Java 显式锁都是基于 AQS 根底同步器实现的锁，其中 JDK1.8 版本中提供的 StampedLock 是是对 ReentrantReadWriteLock 读写锁的一种改良。

综上所述，意识和把握 Java 内置锁，都须要 AQS 根底同步器设计与实现，它是 ava 内置锁的根底和外围实现。

2. 根本思维

在 Java 畛域中，Java 显式锁的根本思维来源于 JDK 并发包 JUC 的作者 Doug Lea，发表的论文为 java.util.concurrent Synchronizer Framework。

在 Java 畛域中，同步器是指专门为多线程并发而设计的同步机制，在这种机制下，多线程并发执行时线程之间通过某种共享状态实现同步，只有满足某种条件时线程能力执行。

在不同的利用场景中，对同步器的需要也不同，JDK 将各种同步器的雷同局部形象封装成一个对立的根底同步器，而后基于这个同步器为模板，通过继承的形式来实现不同的同步器，即就是咱们说的对立的根底 AQS 同步器。

在 JDK 的并发包 java.util.concurrent. 上面，提供了各种同步工具，其中大部分同步工具都基于 AbstractQueuedSynchronizer 类实现，即就是 AQS 同步器，为不同场景提供了实现锁以及同步机制的根底框架，为同步状态的原子性治理，线程阻塞与解除以及排队治理提供一种通用的机制。

其中，AQS 的实践根底是 JDK 并发包 JUC 的作者 Doug Lea，发表的论文为 java.util.concurrent Synchronizer Framework [AQS Framework 论文]，其中包含框架的根底原理，需要，设计，实现思路，设计以及用户和性能剖析等。

3. 根本实现

在 Java 畛域中，Java 显式锁从肯定水平上说，Java 显式锁都是基于 AQS 根底同步器实现的锁。

从 JDK1.8 版本的源码来看，AbstractQueuedSynchronizer 的次要继承了抽象类 AbstractOwnableSynchronizer，其次要封装了 setExclusiveOwnerThread()和 getExclusiveOwnerThread()两个办法。其中：

• setExclusiveOwnerThread()办法：设置线程独享模式，其参数为 java.lang.Thread 对象。
• getExclusiveOwnerThread()办法：获取独享模式的线程，其返回参数类型为 java.lang.Thread 对象。

对于一个 AbstractQueuedSynchronizer(AQS 同步器)从内部结构上来说，次要有 5 个外围因素：同步状态，期待队列，独占模式，共享模式，条件队列。其中：

• 同步状态(Synchronizer Status)：用于实现锁机制
• 期待队列(Wait Queue)：用于存储期待锁的线程
• 独占模式(Exclusive Model)：实现独占锁
• 共享模式(Shared Model)：实现共享锁
• 条件队列(Condition Queue)：提供可代替 wait/notify 机制的条件队列模式

从采纳的数据结构来看，AQS 同步器次要是将线程封装到一个 Node 外面，并保护一个 CLH Node FIFO 队列(非阻塞 FIFO 队列)，认为着在并发条件下，对此队列中进行插入和移除操作时不会阻塞，次要是采纳 CAS+ 自旋锁来保障节点的插入和移除的原子性操作，从而实现疾速插入的。

从 JDK1.8 版本的源码来看，AbstractQueuedSynchronizer 的源码构造次要如下：

• 期待队列：次要定义了两个 Node 类变量，次要是期待队列的构造变量 head 和 tail 等
• 同步状态为 state，其必须是 32 位整数类型，更新时必须保障是原子性的
• CAS 操作的变量：定义了 stateOffset，headOffset，tailOffset，waitStatusOffset，nextOffset 的句柄，次要用于执行 CAS 操作，其中 JDK 的 CAS 操作次要应用 Unsafe 类来实现，处于 sun.misc. 上面提供的类。
• 阀值：spinForTimeoutThreshold，决定应用自旋形式耗费工夫还是应用零碎阻塞形式耗费工夫的分割线，默认值为 1000L(ns), 是长整数类型，示意锁竞争小于 1000(ns)应用自旋，如果超过 1000(ns)应用零碎阻塞。
• 条件队列对象：基于 Condition 接口封装了一个 ConditionObject 对象。

然而，特地须要留神的是，在 JDK1.8 版本之后，AbstractQueuedSynchronizer 的源码构造有所不同：

• 期待队列：次要定义了两个 Node 类变量，次要是期待队列的构造变量 head 和 tail
• 同步状态为 state，其必须是 32 位整数类型，更新时必须保障是原子性的
• CAS 操作的变量：应用 VarHandle 定义了 state，head，tail 的句柄，次要用于执行 CAS 操作，其中 JDK1.9 的 CAS 操作次要应用 VarHandle 来代替 Unsafe 类，位于 java.lang.invoke. 上面。
• 阀值：spinForTimeoutThreshold，决定应用自旋形式耗费工夫还是应用零碎阻塞形式耗费工夫的分割线，默认值为 1000L(ns), 是长整数类型，示意锁竞争小于 1000(ns)应用自旋，如果超过 1000(ns)应用零碎阻塞。
• 条件队列对象：基于 Condition 接口封装了一个 ConditionObject 对象。

由此可见，最大的不同就是应用 VarHandle 来代替 Unsafe 类，Varhandle 是对变量或参数定义的变量系列的动静强类型援用，包含动态字段，非动态字段，数组元素或堆外数据结构的组件。在各种拜访模式下都反对拜访这些变量，包含简略的读 / 写访问，volatile 的读 / 写访问以及 CAS (compare-and-set)拜访。简略来说 Variable 就是对这些变量进行绑定，通过 Varhandle 间接对这些变量进行操。

4. 具体实现

在 Java 畛域中，Java 显式锁中基于 AQS 根底同步器实现的锁次要都是采纳自旋锁(CLH 锁)+CAS 操作来实现。

在介绍内置锁的时候，提到轻量级锁的次要分类为一般自旋锁和自适应自旋锁，但其实对于自旋锁的实现形式来看，次要能够分为一般自旋锁和自适应自旋锁，CLH 锁和 MCS 锁等 4 种，其中：

• 一般自旋锁：多个线程一直自旋，一直尝试获取锁，其不具备公平性和因为要保障 CPU 和缓存以及主存之间的数据一致性，其开销较大。
• 自适应自旋锁：次要是为解决一般自旋锁的公平性问题，引入了一个排队机制，个别称为排他自旋锁，其具备公平性，然而没有解决保障 CPU 和缓存以及主存之间的数据一致性问题，其开销较大。
• CLH 锁：通过肯定伎俩将线程对于某一个共享变量的轮询竞争转化为一个线程队列，且队列中的线程各自轮询本人本地变量。
• MCS 锁：宗旨在于解决 CLH 锁的问题，也是基于 FIFO 队列，与 CLH 锁不同是，只对本地变量自旋，前驱节点负责告诉 MCS 锁中线程自适完结。

自旋锁是一种实现同步的计划，属于一种非阻塞锁，与惯例锁次要的区别就在于获取锁失败之后的解决形式不同，次要体现在：

• 个别状况下，惯例锁在获取锁失败之后，会将线程阻塞并适当时从新唤醒
• 而自旋锁则是应用自旋来替换阻塞操作，次要是线程会一直循环查看该锁是否被开释，一旦开释线程便会获取锁资源。

其实，自旋是一钟忙期待状态，会始终耗费 CPU 的执行工夫。个别状况下，惯例互斥锁实用于持有锁长时间的状况，自旋锁适宜持有工夫短的状况。

其中，对于 CLH 锁来说，其外围是为解决同步带来的花销问题，Craig，Landim，Hagersten 三人创造了 CLH 锁，其中次要是：

• 构建一个 FIFO(先进先出)队列，构建时次要通过挪动尾部节点 tail 来实现队列的排队，每个想取得锁的线程都会创立一个新节点 (next) 并通过 CAS 操作原子操作将新节点赋予给 tail，以后线程轮询前一个节点的状态。
• 执行完线程后，只需将以后线程对应节点状态设置为解锁即可，次要是判断以后节点是否为尾部节点，如果是间接设置尾部节点设置为空。因为下一个节点始终在轮询，所以能够取得锁。

CLH 锁将众多线程长时间对资源的竞争，通过有序化这些线程将其转化为只须要对本地变量检测。惟一存在竞争的中央就是入队之前对尾部节点 tail 的竞争，相对来说，以后线程对资源的竞争次数缩小，这节俭了 CPU 缓存同步的耗费，从而晋升了零碎性能。

然而同时也有一个问题，CLH 锁尽管解决了大量线程同时操作同一个变量时带来的开销问题，如果前驱节点和以后节点在本地主存中不存在，则拜访工夫过长，也会引起性能问题。MCS 锁就时为解决这个问题提出的，作者次要是 John Mellor Curmmey 和 Michhael Scott 两人创造的。

而对于 CAS 操作来说，CAS(Compare And Swap, 比拟并替换)操作时一种乐观锁策略，次要波及三个操作数据：内存值，预期值，新值，次要是指当且仅当预期值和内存值相等时才去批改内存值为新值。

CAS 操作的具体逻辑，次要能够分为三个步骤：

• 首先，查看某个内存值是否与该线程之前取到值一样。
• 其次，如果不一样，示意此内存值曾经被别的线程批改，须要舍弃本次操作。
• 最初，如果时一样，示意期间没有线程更改过，则须要用新值执行更新内存值。

除此之外，须要留神的是 CAS 操作具备原子性，次要是由 CPU 硬件指令来保障，并且通过 Java 本地接口 (Java Native Interface,JNI) 调用本地硬件指令实现。

当然，CAS 操作防止了乐观策略独占对象的 问题，同时进步了并发性能，然而也有以下三个问题：

• 乐观策略只能保障一个共享变量的原子操作，如果是多个变量，CAS 便不如互斥锁，次要是 CAS 操作的局限所致。
• 长时间循环操作可能导致开销过大。
• 经典的 ABA 问题：次要是查看某个内存值是否与该线程之前取到值一样，这个判断逻辑不谨严。解决 ABA 问题的外围在于，引入版本号，每次更新变量值更新版本号。

其中，在 Java 畛域中，对于 CAS 操作在

• JDK1.8 版本之前，CAS 操作次要应用 Unsafe 类，具体能够参考源码自行剖析。
• JDK1.8 版本之后，JDK1.9 的 CAS 操作次要应用 VarHandle 类，具体能够参考源码自行剖析。

综上所述，次要阐明 Java 显式锁为啥应用基于 AQS 根底同步器实现的锁次要都是采纳自旋锁(CLH 锁)+CAS 操作来的具体实现。

5. 根本分类

在 Java 畛域中，Java 显式锁的根本分类大抵能够分为可重入锁和不可重入锁、乐观锁和乐观锁、偏心锁和非偏心锁、共享锁和独占锁、可中断锁和不可中断锁。

显式锁有很多种，从不同的角度来看，显式锁大略有以下几种分类：可重入锁和不可重入锁、乐观锁和乐观锁、偏心锁和非偏心锁、共享锁和独占锁、可中断锁和不可中断锁。

从同一个线程是否能够反复占有同一个锁对象的角度来分，显式锁能够分为可重入锁与不可重入锁。其中：

• 可重入锁也叫作递归锁，指的是一个线程能够屡次抢占同一个锁，JUC 的 ReentrantLock 类是可重入锁的一个规范实现类。
• 不可重入锁与可重入锁相同，指的是一个线程只能抢占一次同一个锁。

从线程进入临界区前是否锁住同步资源的角度来分，显式锁能够分为乐观锁和乐观锁。其中：

• 乐观锁：就是乐观思维，每次进入临界区操作数据的时候都认为别的线程会批改，所以线程每次在读写数据时都会上锁，锁住同步资源，这样其余线程须要读写这个数据时就会阻塞，始终等到拿到锁。总体来说，乐观锁实用于写多读少的场景，遇到高并发写时性能高。Java 的 synchronized 重量级锁是一种乐观锁。
• 乐观锁是一种乐观思维，每次去拿数据的时候都认为别的线程不会批改，所以不会上锁，然而在更新的时候会判断一下在此期间他人有没有去更新这个数据，采取在写时先读出以后版本号，而后加锁操作（比拟跟上一次的版本号，如果一样就更新），如果失败就要反复读 - 比拟 - 写的操作。总体来说，乐观锁实用于读多写少的场景，遇到高并发写时性能低。Java 中的乐观锁根本都是通过 CAS 自旋操作实现的。CAS 是一种更新原子操作，比拟以后值跟传入值是否一样，是则更新，不是则失败。在争用强烈的场景下，CAS 自旋会呈现大量的空自旋，会导致乐观锁性能大大降低。Java 的 synchronized 轻量级锁是一种乐观锁。另外，JUC 中基于抽
  象队列同步器（AQS）实现的显式锁（如 ReentrantLock）都是乐观锁。

从抢占资源的公平性来说，显示锁能够分为偏心锁和非偏心锁，其中：

• 偏心锁是指不同的线程抢占锁的机会是偏心的、平等的，从抢占工夫上来说，先对锁进行抢占的线程肯定被先满足，抢锁胜利的秩序体现为 FIFO（先进先出）程序。简略来说，偏心锁就是保障各个线程获取锁都是依照程序来的，先到的线程先获取锁。
• 非偏心锁是指不同的线程抢占锁的机会是非偏心的、不平等的，从抢占工夫上来说，先对锁进行抢占的线程不肯定被先满足，抢锁胜利的秩序不会体现为 FIFO（先进先出）程序。

默认状况下，ReentrantLock 实例是非偏心锁，然而，如果在实例结构时传入了参数 true，所失去的锁就是偏心锁。另外，ReentrantLock 的 tryLock()办法是一个特例，一旦有线程开释了锁，正在 tryLock 的线程就能优先取到锁，即便曾经有其余线程在期待队列中。

从在抢锁过程中能通过某些办法终止抢占过程角度来看，显式锁能够分为可中断锁和不可中断锁，其中：

• 可中断锁：什么是可中断锁？如果某一线程 A 正占有锁在执行临界区代码，另一线程 B 正在阻塞式抢占锁，可能因为等待时间过长，线程 B 不想期待了，想先解决其余事件，咱们能够让它中断本人的阻塞期待，
• 不可中断锁：什么是不可中断锁？一旦这个锁被其余线程占有，如果本人还想抢占，只能抉择期待或者阻塞，直到别的线程开释这个锁，如果别的线程永远不开释锁，那么本人只能永远等上来，并且没有方法终止等
  待或阻塞。

简略来说，在抢锁过程中能通过某些办法终止抢占过程，这就是可中断锁，否则就是不可中断锁。

Java 的 synchronized 内置锁就是一个不可中断锁，而 JUC 的显式锁（如 ReentrantLock）是一个可中断锁。

• 独占锁指的是每次只有一个线程能持有的锁。独占锁是一种乐观激进的加锁策略，它不必要地限度了读 / 读竞争，如果某个只读线程获取锁，那么其余的读线程都只能期待，这种状况下就限度了读操作的
  并发性，因为读操作并不会影响数据的一致性。JUC 的 ReentrantLock 类是一个规范的独占锁实现类。
• 共享锁容许多个线程同时获取锁，答应线程并发进入临界区。与独占锁不同，共享锁是一种乐观锁，它放宽了加锁策略，并不限度读 / 读竞争，容许多个执行读操作的线程同时访问共享资源。JUC 的 ReentrantReadWriteLock（读写锁）类是一个共享锁实现类。应用该读写锁时，读操作能够有很多线程一起读，然而写操作只能有一个线程去写，而且在写入的时候，别的线程也不能进行读的操作。用 ReentrantLock 锁代替 ReentrantReadWriteLock 锁尽管能够保障线程平安，然而也会节约一部分资源，因为多个读操作并没有线程平安问题，所以在读的中央应用读锁，在写的中央应用写锁，能够进步程序执行效率。

综上所述，对于 Java 显式锁的根本分类，个别状况下咱们都可依照这样的形式去剖析。

6. 利用剖析

在 Java 畛域中，Java 显式锁的 Java 显式锁比 Java 内置锁的锁粒度更细腻，能够设置超时机制，更加可控，应用起来更加灵便。

比照基于 Java 内置锁实现一种简略的“期待 - 告诉”形式的线程间通信：通过 Object 对象的 wait、notify 两类办法作为开关信号，用来实现告诉方线程和期待方线程之间的通信。

“期待 - 告诉”形式的线程间通信机制，具体来说是指一个线程 A 调用了同步对象的 wait()办法进入期待状态，而另一线程 B 调用了同步对象的 notify()或者 notifyAll()办法去唤醒期待线程，当线程 A 收到线程 B 的唤醒告诉后，就能够从新开始执行了。

须要特地留神的是，在通信过程中，线程须要领有同步对象的监视器，在执行 Object 对象的 wait、notify 办法之前，线程必须先通过抢占到内置锁而成为其监视器的 Owner。

与 Object 对象的 wait、notify 两类办法相相似，JUC 也为大家提供了一个用于线程间进行“期待 - 告诉”形式通信的接口——java.util.concurrent.locks.Condition。其中：

• await()办法：唤醒一个期待队列
• awaitUninterruptibly() 办法：唤醒一个不可中断的期待队列
• awaitNanos(long nanosTimeout) 办法：唤醒一个带超时的期待队列
• await(long time, TimeUnit unit)办法：唤醒一个带超时的期待队列
• awaitUntil(Date deadline) 办法：唤醒一个带超时的期待队列
• signal()办法：随机地告诉期待队列中的一个线程
• signalAll()办法：告诉期待队列中的所有线程

同时，JUC 提供的一个线程阻塞与唤醒的工具类(java.util.concurrent.locks.LockSupport)，该工具类能够让线程在任意地位阻塞和唤醒，其所有的办法都是静态方法。

• void park()办法：对以后线程执行阻塞操作，直到获取许可后才解除阻塞
• void parkNanos(long nanos)办法：对以后线程执行阻塞操作，直到获取许可后才解除阻塞，最大等待时间有参数传入指定，一旦超过最大工夫也会解除阻塞
• void parkNanos(Object blocker, long nanos)办法：对以后线程执行阻塞操作，直到获取许可后才解除阻塞，最大等待时间有参数传入指定，一旦超过最大工夫也会解除阻塞，须要指定阻塞对象
• void parkUntil(long deadline)办法：对以后线程执行阻塞操作，直到获取许可后才解除阻塞最大等待时间为指定最初期限
• void parkUntil(Object blocker, long deadline)办法：对以后线程执行阻塞操作，直到获取许可后才解除阻塞最大等待时间为指定最初期限，须要指定阻塞对象
• void unpark(Thread thread)办法：将指定线程设置为可用

相比之下，Java 显式锁比 Java 内置锁的锁粒度更细腻，能够设置超时机制，更加可控，应用起来更加灵便。

五.Java 锁综合比照剖析

Java 锁综合比照剖析次要是对 Java 内置锁和 Java 显式锁等作一个比照剖析，看看两者之间各自的特点。

在 Java 畛域中，对于 Java 内置锁和 Java 显式锁，个别能够从以下几个方面去看：

• 从根本定义上来看，Java 内置锁是基于 Java 语法层面实现的锁，而 Java 显式锁是基于 JDK 层面实现的锁
• 从根本思维上来看，Java 内置锁是关键字 +Object 类中 wait()、notify()、notifyAll() 办法来实现“期待 - 告诉“工作机制，而 Java 显式锁是基于对立的 AQS 根底同步器 + 条件队列 Condition 对象 +LockSupport 线程阻塞与唤醒的工具类来实现“期待 - 告诉“工作机制的，两者之间都能够用于实现线程之间的 通信
• 从实现形式上来看，Java 内置锁是通过 JVM 中通过 Monitor 来实现 monitorenter 和 monitorexit 指令实现，底层是调用操作系统的互斥锁原语实现，而 Java 显式锁是基于对立的 AQS 根底同步器来实现的
• 从底层构造上来看，Java 内置锁是基于 JVM 中 Monitor 与 ObjectMonitor 映射对应 +CAS 操作来实现的，而 Java 显式锁是基于 CLH 锁 Node FIFO 队列 (先进先出) 队列 +CAS 操作来实现
• 从锁粒度细分上来看，Java 内置锁是锁粒度比拟大，绝对比拟粗，而 Java 显式锁的锁粒度比拟小，绝对比拟细腻
• 从锁是否反对超时中断来看，Java 内置锁是不反对超时，不可中断，产生异样主动开释锁或阻塞，而 Java 显式锁是反对超时，可中断，产生异样主动开释锁或自旋
• 从应用形式上看，Java 内置锁是应用简略，可编程性较低，而 Java 显式锁是应用形式比拟灵便，可编程性较高
• 从锁资源和指标上看，Java 内置锁是面向是类和对象中办法以及变量，而 Java 显式锁是面向的是线程自身和线程状态的管制
• 从锁的公平性保障上来看，Java 内置锁是无奈保障锁的公平性，而 Java 显式锁是能够实现和保障锁的公平性的
• 从并发三宗罪来看，Java 内置锁是能够解决并发问题的原子性和可见性，而对于有序性问题是交给编译器来实现，而 Java 显式锁能够解决并发问题的原子性和可见性以及有序性问题
• 从线程饥饿问题来看，Java 内置锁是可能产生线程饥饿问题，而 Java 显式锁是能够避免和解决线程饥饿问题的
• 从线程竞争问题来看，Java 内置锁是可能产生线程竞争问题，而 Java 显式锁是能够避免和解决线程竞争问题的
• 从线程竞争条件问题来看，Java 内置锁是可能产生线程竞争条件问题，而 Java 显式锁是能够避免和解决线程竞争条件问题的

综上所述，通过对 Java 锁综合比照剖析，我置信大家对于 Java 畛域中的锁曾经能够很好地意识以及深刻理解。

写在最初

对于 Java 畛域中锁，咱们个别能够从如下两个方面去意识，其中：

• Java 内置锁：基于 Java 语法层面 (关键词) 实现的锁，次要是依据 Java 语义来实现，最典型的利用就是 synchronized。
• Java 显式锁：基于 JDK 层面实现的锁，次要是依据基于 Lock 接口和 ReadWriteLock 接口，以及对立的 AQS 根底同步器等来实现，最典型的有 ReentrantLock。

对于 Java 内置锁来说：

• 应用形式：synchronized 关键字互斥锁次要有作用于对象办法下面，作用于类静态方法下面，作用于对象办法外面，作用于类静态方法外面等 4 种形式。
• 根本思维：synchronized 关键字互斥锁次要基于一个阻塞队列和期待对列，相似于一种“期待 - 告诉”的工作机制来实现。
• 根本实现：synchronized 关键字互斥锁次要基于 Java HotSpot(TM) VM 虚拟机通过 Monitor(监视器)来实现 monitorenter 和 monitorexit 指令的。
• 具体实现：JVM 中每个对象都会有一个监视器，监视器和对象一起创立、销毁。监视器相当于一个用来监督这些线程进入的非凡房间，其任务是保障（同一时间）只有一个线程能够拜访被爱护的临界区代码块。
• 根本分类：synchronized 关键字互斥锁次要中内置锁一共有 4 种状态：无锁状态、偏差锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这些状态随着竞争状况逐步降级，其中降级程序为: 无锁 -> 偏差锁 -> 轻量级锁状态 -> 重量级, 其程序不可逆转。
• 利用剖析：synchronized 关键字互斥锁次要中内置锁应用简略，然而锁的粒度比拟大，无奈反对超时等。

对于 Java 显式锁来说：

• 应用形式：Java 显式锁从 JDK 源码体现进去的锁大抵能够分为基于 Lock 接口实现的锁，基于 ReadWriteLock 接口实现的锁，基于 AQS 根底同步器实现的锁，以及基于自定义 API 操作实现的锁等。
• 根本思维：Java 显式锁的根本思维来源于 JDK 并发包 JUC 的作者 Doug Lea，发表的论文为 java.util.concurrent Synchronizer Framework。
• 根本实现：Java 显式锁从肯定水平上说，Java 显式锁都是基于 AQS 根底同步器实现的锁。
• 具体实现：Java 显式锁中基于 AQS 根底同步器实现的锁次要都是采纳自旋锁(CLH 锁)+CAS 操作来实现。
• 根本分类：Java 显式锁的根本分类大抵能够分为可重入锁和不可重入锁、乐观锁和乐观锁、偏心锁和非偏心锁、共享锁和独占锁、可中断锁和不可中断锁。
• 利用剖析：Java 显式锁的 Java 显式锁比 Java 内置锁的锁粒度更细腻，能够设置超时机制，更加可控，应用起来更加灵便。

最初，技术钻研之路任重而道远，愿咱们熬的每一个通宵，都撑得起咱们想在这条路上走上来的勇气，将来依然可期，与君共勉！

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