Synchronized的基本知识、实现原理以及其与ReentrantLock的区别

一、synchronized知识

　　在谈论synchronized之前，我们需要了解线程安全问题的主要诱因。线程安全问题的主要诱因如下：

存在共享数据（也称为临界资源）
存在多条线程共同操作这些共享数据

　　而解决线程安全的根本方法就是：同一时刻有且只有一个线程在操作共享数据，其他线程必须等到该线程处理完数据后再对共享数据进行操作。

　　基于上述，引入了互斥锁，其具有两个特性：

互斥性：即在同一时间只允许一个线程持有某个对象锁，通过这种特性来实现多线程的协调机制，这样在同一时间只有一个线程对需要同步的代码块进行访问。互斥性也称作操作的原子性。
可见性：必须确保在锁被释放之前，对共享变量所做的修改，对于随后获得该锁的另一个线程是可见的（即在获得锁时应获得最新共享变量的值），否则另一个线程可能是在本地缓存的某个副本上继续操作，从而引起不一致。

　　需要注意的是，synchronized锁的不是代码，而是对象。

　　根据获取锁的分类，可分为获取对象锁、获取类锁。

获取对象锁的两种方法：

1、同步代码块（synchronized（this），synchronized（类实例对象）），锁是小括号中的实例对象。

2、同步非静态方法（synchronized method），锁是当前对象的实例对象。

获取类锁的两种方法：

1、同步代码块（synchronized（类.class）），锁是小括号中的类的对象。

2、同步静态方法（synchronized static method），锁是当前对象的类对象（class对象）。

接下来，对对象锁和类锁进行总结对比：

1、有线程访问对象的同步代码块时，另外的线程可以访问该对象的非同步代码块；

2、若锁住的是同一个对象，一个线程在访问对象的同步代码块时，另一个访问对象的同步代码块的线程会被阻塞；

3、若锁住的是同一个对象，一个线程在访问对象的同步方法时，另一个访问对象的同步方法的线程会被阻塞；

4、若锁住的是同一个对象，一个线程在访问对象的同步代码块时，另一个访问对象的同步方法的线程会被阻塞，反之亦然；

5、同一类的不同对象的对象锁互不干扰；

6、类锁由于也是一种特殊的对象锁，因此表现和上述的1、2、3、4一致，而由于一个类只有一把对象锁，所以同一类的不同对象使用类锁将会是同步的；

7、类锁和对象锁互不干扰。

二、synchronized底层实现原理

　　实现synchronized的基础：Java对象头+Monitor

　　对象头的结构如下：

虚拟机位数	头对象结构	说明
32/64bit	Mark Word	默认存储对象的hashcode，分代年龄，锁类型，锁标志位等信息。
32/64bit	Class Metadata Address	类型指针指向对象的类元数据，JVM通过这个指针确定该对象是哪个类的数据。

　　下面是32bit的Mark Word的说明图：

　　而对于Monitor，每个Java对象天生自带一把看不见的锁（内部锁/Monitor锁）。

　　Monitor锁的竞争与释放如下图所示：

　　在早期的Java版本中，synchronized属于重量级锁，依赖于Mutex Lock实现。线程之间的切换需要从用户态转换到核心态，开销很大。

　　在Java 6之后，synchronized性能得到很大提升。主要是因为引入了：

　　1：Adaptive spinning（自适应自旋）

　　2：Lock Eliminate（锁消除）

　　3：Lock Coarsening（锁粗化）

　　4：Lightweight Locking（轻量级锁）

　　5：Biased Locking（偏向锁）

　　6：......

　　下面对这些概念进行介绍。

　　自旋锁与自适应自旋锁：

　　自旋锁：在很多情况下，共享数据的锁定状态持续时间较短，切换线程不值得。就通过让线程执行忙循环等待锁的释放，而不让出CPU。缺点是若锁被其他线程长时间占用，会带来许多性能上的开销。用户使用preBlockspin来修改等待时间、次数，不好设定。

　　这样的话，自适应自旋锁就出现了，它自旋的次数不固定，由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的持有者的状态来决定。

　　锁消除：

　　JIT编译时，对运行的上下文进行扫描，去除不可能存在竞争的锁，节省毫无意义的请求锁的时间。

　　锁粗化：

　　通过扩大加锁的范围，避免反复加锁和解锁。

　　偏向锁：

　　减少同一线程获取锁的代价。

　　大多数情况下，锁不存在多线程竞争，总是由同一个线程多次获得。

　　核心思想：如果一个线程获得了锁，那么锁就进入了偏向锁模式，此时Mark Word的结构也变为偏向结构，当该线程再次请求锁的时候，无需做任何操作，即获得锁的过程只需检查Mark Word的锁标记位为偏向锁以及当前线程ID等于Mark Word的ThreadID即可，这样就省去了大量有关锁申请的操作。

　　不使用与锁竞争比较激烈的多线程场合。

　　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竞争的时候，偏向锁就会升级为轻量级锁。

　　使用场景：线程交替执行同步块。

　　若存在同一时间访问同一锁的情况，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

三、synchronized和ReentrantLock的区别

　　ReentrantLock称为重入锁，位于JUC包的locks，和CountDownLatch、FutureTask一样基于AQS实现。能够实现比synchronized更细粒度的控制，比如控制公平性。此外需要注意，调用lock（）之后，必须调用unlock（）释放锁。它的性能未必比synchronized高，并且是可重入的。

　　ReentrantLock公平性的设置：

　　ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock（true）；

　　参数为true时，倾向于将锁赋予等待时间最久的线程；

　　公平锁：获取锁的顺序按先后调用lock方法的顺序（慎用）；

　　非公平锁：抢占的顺序不一定，看运气；

　　synchronized是非公平锁。

　　ReentrantLock能够将锁对象化：

　　判断是否有线程，或者某个特定线程，在排队等候获取锁；

　　带超时的获取锁的尝试；

　　感知有没有成功获取锁。

　　ReentrantLock能够将wait/notify/notifyAll对象化。

　　总结：

　　1、synchronized是关键字，ReentrantLock是类；

　　2、ReentrantLock可以获取锁的时间进行设置，避免死锁；

　　3、ReentrantLock可以获取各种锁的信息；

　　4、ReentrantLock可以灵活实现多路通知；

　　5、机制：sync操作Mark Word，lock调用Unsafe类的park（）方法。