JVM内存模型

写在最前

• 这部分的内容会在后续的JUC详细讲解

Java内存模型

• 很多人将Java内存结构和Java内存模型傻傻分不清，Java内存模型是Java Memory Model(JMM)的意思
• 简单地说，JMM定义了一套在多线程读写共享数据时（成员变量、数组），对数据的可见性、有序性和原子性的规则和保障

原子性

• 原子性在前面的文章也提过，现在来简单回顾一下
• 两个线程对初始值为0的静态变量，一个做自增，一个做自减，各做5000次，那么最终结果是0吗？

public class JMM01 {
    static int i = 110;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                i++;
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                i--;
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

问题分析

• 以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？
• 因为Java中对静态变量的自增、自减操作并不是原子操作

public class JMM02 {
    static int i = 0;

    public static void main(String[] args) {
        i++;
        i--;
    }
}

• 编译后的字节码文件

Code:
  stack=2, locals=1, args_size=1
     0: getstatic     #2                  // Field i:I
     3: iconst_1
     4: iadd
     5: putstatic     #2                  // Field i:I
     8: getstatic     #2                  // Field i:I
    11: iconst_1
    12: isub
    13: putstatic     #2                  // Field i:I
    16: return

• 对于i++而言（注意i为静态常量），实际上会产生如下字节码指令

getstatic     #2    // 获取静态常量 i 的值
iconst_1            // 准备常量 1
iadd                // 加法（如果是局部变量，则调用的是iinc）
putstatic     #2    // 将修改后的值存入静态变量 i

• 而对于i–而言，也是类似的操作

getstatic     #2    // 获取静态常量 i 的值
iconst_1            // 准备常量 1
isub                // 减法
putstatic     #2    // 将修改后的值存入静态变量 i

• 在多线程环境下，这些指令可能会被CPU交错的执行，就会导致我们看到的结果出现问题
• Java的内存模型如下，完成静态变量的自增、自减需要在主存与线程内存中进行数据交换
  
• 出现负数的情况：

// 假设i的初始值为0
getstatic i         // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0
getstatic i         // 线程2-获取静态变量i的值 线程内i=0
iconst_1            // 线程1-准备常量1
iadd                // 线程1-自增 线程内i=1
putstatic i         // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1
iconst_1            // 线程2-准备常量1
isub                // 线程2-自减 线程内i=-1
putstatic i         // 线程2-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=-1

• 出现正数的情况：

// 假设i的初始值为0
getstatic i         // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0
getstatic i         // 线程2-获取静态变量i的值 线程内i=0
iconst_1            // 线程1-准备常量1
iadd                // 线程1-自增 线程内i=1
iconst_1            // 线程2-准备常量1
isub                // 线程2-自减 线程内i=-1
putstatic i         // 线程2-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=-1
putstatic i         // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1

解决方法

• 使用synchronized（同步关键字），语法如下

synchronized(obj) {
    要作为原子操作的代码
}

• 解决上面的问题，在i++和i--操作处加锁

public class JMM03 {
    static int i = 0;
    static Object obj = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                synchronized (obj) {
                    i++;
                }
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                synchronized (obj) {
                    i--;
                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

• 可以把obj想象成一间房间（撤硕），线程t1、线程t2想象成两个人
• 当线程t1执行到synchronized(obj)时，就好比t1进入了撤硕，并反手锁住了门，在门内执行i++操作
• 此时如果t2也运行到了synchronized(obj)，它发现门被锁住了，只能在门外等待
• 当t1执行完synchronized块内的代码，此时才会解开门上的锁，从撤硕出来，t2线程此时才可以进入撤硕，并反手锁住门，执行它的i--操作

• 注意：上例中的t1和t2线程都必须使用synchronized锁住同一个obj对象，如果t1锁住的是x对象，t2锁住的是y对象，就好比两个人进入了两个不同的撤硕，没法起到同步的效果

• 最后，也建议将synchronized加锁的范围设置的大一些，刚刚的代码中，仅在i++操作上加锁，锁住了4条虚拟机指令，但是外层循环了5W次，那就要加锁解锁5W次，这样是比较耗时的，那么此时我们就可以直接在for循环上加锁，这样就只用解锁一次

Thread t1 = new Thread(() -> {
    synchronized (obj) {
        for (int j = 0; j < 5000; j++) {
            i++;
        }
    }
});

可见性

• 可见性指的是当一个线程修改了共享变量的值后，其他线程能够立即看到这个修改的结果。在单线程环境下，修改变量的值和读取变量的值都是在同一个线程内进行的，所以不存在可见性问题。但是在多线程环境下，由于每个线程都有自己的缓存，所以可能出现一个线程修改了共享变量的值，但是其他线程还是看到原来的旧值的情况。

退不出的循环

• 先来看一个现象，main线程对run变量的修改，对于t线程不可见，导致t线程无法停止

public class JMM04 {

    static boolean run = true;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            while (run) {
                //TODO
            }   
        });
        t.start();
        Thread.sleep(1000);     //  休眠 1 秒
        run = false;            // 此时将run改为false，按理说上面的while循环应该会结束
    }
}

• 那这是为什么呢？我们来分析一下（提示：联想一下上篇文章的JIT优化）
  1. 初始状态：t线程刚开始就从主存读取到了run的值到工作内存
     
  2. 因为t线程要频繁的从主存中读取run的值，JIT编译器会将run的值缓存至自己工作内存的高速缓存中，减少对主存中run的访问，提高效率
     
  3. 1秒过后，main线程修改了run值，并同步至主存，但是t现在已经是从自己工作内存的高速缓存中读取的run，结果永远是true
     

解决方法

• 可见性问题的方法是通过使用volatile关键字来声明共享变量。在使用了volatile关键字声明的共享变量上进行读写操作时，JVM会保证所有线程都能够看到该变量的最新值，从而解决可见性问题。

public class JMM04 {

    volatile static boolean run = true;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            while (run) {
                //TODO
            }
        });
        t.start();
        Thread.sleep(1000);
        run = false;    
    }
}

• 此时程序运行1秒后就会停下来了

• synchronized语句块既可以保证代码的原子性，同时也可以保证代码块内变量的可见性。但缺点是synchronized属于重量级操作，性能相对较低

• 如果在前面示例的死循环中，加入一条输出指令System.out.println()会发现，即使不加volatile修饰符，线程t也正确看到run变量的修改了，这是为什么呢？
  • 因为System.out.println()语句具有同步锁的效果，它会强制刷新CPU缓存，从而强制线程从主内存中读取变量的值。这与volatile的作用相似，可以保证线程获取到最新的变量值。

  public void println(int x){
      synchronized(this) {
          print(x);
          newLine( );
      }
  }

有序性

诡异的结果

• 先来看一段代码

int num = 0;
boolean ready = false;

// 线程1 执行此方法
public void method1(Person p) {
    if(ready) {
        p.age = num + num;
    } else {
        p.age = 1;
    }
}

// 线程2 执行此方法
public void method2(Person p) {
    num = 2;
    ready = true;
}

• Person是一个对象，有一个属性age用来保存结果，那么上面的代码会有几种可能？

  1. 线程1先执行，此时ready = false，进入else分支，结果是1
  2. 线程2先执行，num = 2，ready = true，线程1执行是，ready = true，执行if分支，同时num = 2，结果是4
  3. 线程2先执行，num = 2，还没来得及执行ready = true，此时线程1执行，ready = false，进入else分支，结果是1

• 但是其实还有一种可能，结果是0

  • 这种情况下：线程2先执行ready = true，切回到线程1，进入if分支，相加为0，再切回线程2执行num = 2

• 这种现象叫：指令重排

  • 指令重排是指在编译器或者JIT编译器优化过程中，为了提高程序的性能而重新排列指令的执行顺序，以便在运行时更加高效地执行。
  • 指令重排并不会改变程序的语义，但它可能会改变程序的执行顺序，从而导致程序出现错误或异常。
  • 指令重排需要通过大量测试才能发现，借助java并发压测工具jcstress
  • 在JVM中，指令重排主要有以下三种类型：
    1. 编译器重排：编译器在生成目标代码时对指令进行重排，以提高代码的性能。
    2. 运行时重排：JIT编译器在运行时对字节码进行优化，对指令进行重排，以提高程序的性能。
    3. 处理器重排：现代处理器具有乱序执行的能力，可以根据需要重新排列指令的执行顺序，以提高指令的执行效率。
  • 指令重排的好处是可以提高程序的性能，但也有风险。如果重排不当，可能会导致程序出现错误或异常。为了避免这种情况，JVM提供了一些机制，例如volatile关键字、synchronized关键字、final关键字等，以保证程序的正确性。

• 运行如下maven命令

mvn archetype:generate -DarchetypeGroupId=org.openjdk.jcstress -DarchetypeArtifactId=jcstress-java-test-archetype -DarchetypeVersion=0.5 -DgroupId=com.demo.jmm -DartifactId=com.demo.jmm.my-test-project -Dversion=1.0-SNAPSHOT

• 修改生成的测试方法

@JCStressTest
@Outcome(id = {"1", "4"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ok")
@Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "!!!!")
@State
public class ConcurrencyTest {
    int num = 0;
    boolean ready = false;
    @Actor
    public void actor1(I_Result r) {
        if(ready) {
            r.r1 = num + num;
        } else {
            r.r1 = 1;
        }
    }
    @Actor
    public void actor2(I_Result r) {
        num = 2;
        ready = true;
    }
}

• 执行maven clean install，生成jar包
  
• 使用java -jar命令启动测试，结果如下

*** INTERESTING tests
  Some interesting behaviors observed. This is for the plain curiosity.

  2 matching test results. 
      [OK] com.demo.jmm.ConcurrencyTest
    (JVM args: [-XX:-TieredCompilation])
  Observed state   Occurrences              Expectation  Interpretation
               0         4,118   ACCEPTABLE_INTERESTING  !!!!
               1   100,677,962               ACCEPTABLE  ok
               4    65,352,081               ACCEPTABLE  ok

      [OK] com.demo.jmm.ConcurrencyTest
    (JVM args: [])
  Observed state   Occurrences              Expectation  Interpretation
               0         4,446   ACCEPTABLE_INTERESTING  !!!!
               1    70,399,953               ACCEPTABLE  ok
               4    64,934,892               ACCEPTABLE  ok

• 可以看到，出现结果为0的次数有4118次，虽然次数相对较少，但毕竟还是出现了

解决方法

• 使用volatile修饰的变量，可以禁用指令重排

@JCStressTest
@Outcome(id = {"1", "4"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ok")
@Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "!!!!")
@State
public class ConcurrencyTest {
    int num = 0;
    volatile boolean ready = false;
    @Actor
    public void actor1(I_Result r) {
        if(ready) {
            r.r1 = num + num;
        } else {
            r.r1 = 1;
        }
    }
    @Actor
    public void actor2(I_Result r) {
        num = 2;
        ready = true;
    }
}

• 结果如下

*** INTERESTING tests
  Some interesting behaviors observed. This is for the plain curiosity.

  0 matching test results.

有序性理解

• JVM会在不影响正确性的前提下，调整语句的执行顺序，来看一下下面的代码

static int i;
static int j;

//在某个线程内执行如下赋值操作（单线程）
i = ...;    // 较为耗时的操作
j = ...l    // 简单的 操作

• 可以看到，不管是先执行i还是先执行j，对最终的结果都不会产生影响，所以上面两条语句的执行顺序可以任意的排列组合
• 这种特性被称之为指令重排，多线程下的指令重排会影响正确性，例如著名的double-checked-locking模式实现单例

public final class Singleton {
    private Singleton(){}
    private static Singleton INSTANCE = null;
    public static Singleton getInstance(){
        if (INSTANCE == null){
            synchronized (Singleton.class){
                if (INSTANCE == null){
                    INSTANCE = new Singleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

• 以上的实现的特点是
  1. 懒惰实例化
  2. 首次使用getInstance()才使用synchronized加锁，后续使用时无需加锁
• 但是在多线程环境下，上面的代码是有问题的，INSTANCE = new Singleton();对应的字节码如下

0: new #2               // class cn/itcast/jvm/t4/Singleton
3: dup  
4: invokespecial #3     // Method "<init>":()V
7: putstatic #4         // Field

• 其中4和7 两步的顺序不是固定的，也许jvm会优化为：先将引用地址赋给INSTANCE变量后，再执行构造方法，如果两个线程t1、t2按如下时间序列执行
  1. 时间1 t1 线程执行到 INSTANCE = new Singleton();
  2. 时间2 t1 线程分配空间，为Singleton对象生成了引用地址（0 处）
  3. 时间3 t1 线程将引用地址赋值给 INSTANCE，这时 INSTANCE != null（7 处）
  4. 时间4 t2 线程进入getInstance() 方法，发现 INSTANCE != null（synchronized块外），直接返回 INSTANCE
  5. 时间5 t1 线程执行Singleton的构造方法（4 处）
• 此时t1还未完全将构造方法执行完毕，如果在构造方法中要执行很多初始化操作，那么t2拿到的将是一个未完成初始化的单例
• 对INSTANCE使用volatile修饰即可，可以禁用指令重排

happens-before

• happens-before规定了哪些写操作对其他线程的读操作可见，它是可见性与有序性的一套规则总结。抛开以下happens-before规则，JMM不能保证一个线程对共享变量的写，对于其他线程对该共享变量的读是可见的

1. 线程解锁m之前对变量的写，对于接下来对m加锁的其他线程对该变量的读可见

   static int x;
   static Object m = new Object();
   
   public static void main(String[] args) {
       new Thread(() -> {
           synchronized (m) {
               x = 10;
           }
       }, "t1").start();
       new Thread(() -> {
           synchronized (m) {
               System.out.println(x);
           }
       }, "t2").start();
   }

   • 在线程t2中，当获取了对象m的锁之后，线程可以读取到线程t1对变量x的写入结果。
2. 线程对volatile变量的写，对接下来其他线程对该变量的读可见

   volatile static int x;
   
   public static void main(String[] args) {
       new Thread(() -> {
           x = 10;
       }, "t1").start();
       new Thread(() -> {
           System.out.println(x);
       }, "t2").start();
   }

   • 在线程t2中，当读取变量x的值时，可以看到线程t1对变量x的最新写入结果，而不会读取到变量x的旧值。
3. 线程start前对变量的写，对该线程开始后对该变量的读可见

   static int x;
   
   public static void main(String[] args) {
       x = 10;
       new Thread(() -> {
           System.out.println(x);
       }, "t2").start();
   }

4. 线程结束前对变量的写，对其他线程得知它结束后的读可见

   static int x;
   
   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
       Thread t1 = new Thread(()->{
           x = 10;
       },"t1");
       t1.start();
       t1.join();
       System.out.println(x);
   }

   • 当主线程中读取变量x的值时，可以看到线程t1对变量x的写入结果。
5. 线程 t1 打断 t2（interrupt）前对变量的写，对于其他线程得知 t2 被打断后对变量的读可见（通过t2.interrupted 或 t2.isInterrupted）

   static int x;
   
   public static void main(String[] args) {
       Thread t2 = new Thread(() -> {
           while (true) {
               if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                   System.out.println(x);
                   break;
               }
           }
       }, "t2");
       t2.start();
       new Thread(() -> {
           try {
               Thread.sleep(1000);
           } catch (InterruptedException e) {
               e.printStackTrace();
           }
           x = 10;
           t2.interrupt();
       }, "t1").start();
       while (!t2.isInterrupted()) {
           Thread.yield();
       }
       System.out.println(x);
   }

   • 以上代码创建了两个线程t1和t2。线程t2在一个无限循环中不断检查自身的中断状态，如果发现自己被打断则打印变量x的值并跳出循环，线程t1会在1秒后修改变量x的值并打断线程t2。
   • 线程t1在打断线程t2之前对变量x的写操作对于其他线程得知线程t2被打断后的读操作可见。在本例中，线程t1在修改变量x的值并打断线程t2之前会先睡眠1秒，因此线程t2的循环会在线程t1修改变量x的值之后才会被打断。此时，线程t2中对变量x的读操作就能看到线程t1对变量x的修改。

CAS与原子类

• CAS即Compare And Swap，它体现的是一种乐观锁的思想，比如多个线程要对一个共享的整型变量执行 +1 操作：

// 需要不断尝试
while(true) {
    int 旧值 = 共享变量;    // 比如当前共享变量是 0
    int 结果 = 旧值 + 1;    // 在旧值的基础上 +1 ，结果是 1

    /*
        此时如果别的线程将共享变量改为了 5，那么本线程的正确结果 1 就作废了
        此时compareAndSwap 返回 false，重新尝试
        直到compareAndSwap 返回 true，表示本线程做修改的同时，别的线程没有干扰
    */
   if(compareAndSwap(旧值, 结果)) {
        // 比较旧值和当前共享变量是否相等
        // 成功，退出循环
   }
}

• 获取共享变量时，为了保证该变量的可见性需要使用volatile修饰。结合CAS和volatile可以实现无锁并发，适用于竞争不激烈、多核CPU的场景下
  • 因为没有使用synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一
  • 但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响
• CAS底层依赖于一个Unsafe类来直接调用操作系统底层的CAS指令，下面是直接使用Unsafe对象进行线程安全保护的一个例子

import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;

public class JMM06 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        DataContainer dc = new DataContainer();
        int count = 5;
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < count; i++) {
                dc.increase();
            }
        });
        t1.start();
        t1.join();
        System.out.println(dc.getData());
    }
}

class DataContainer {
    private volatile int data;
    static final Unsafe unsafe;
    static final long DATA_OFFSET;

    static {
        try {
            // Unsafe 对象不能直接调用，只能通过反射获得
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
            throw new Error(e);
        }
        try {
            // data 属性在 DataContainer 对象中的偏移量，用于 Unsafe 直接访问该属性
            DATA_OFFSET = unsafe.objectFieldOffset(DataContainer.class.getDeclaredField("data"));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    public void increase() {
        int oldValue;
        while (true) {
            // 获取共享变量旧值，可以在这一行加入断点，修改 data 调试来加深理解
            oldValue = data;
            // cas 尝试修改 data 为 旧值 + 1，如果期间旧值被别的线程改了，返回 false
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue +
                    1)) {
                return;
            }
        }
    }

    public void decrease() {
        int oldValue;
        while (true) {
            oldValue = data;
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue -
                    1)) {
                return;
            }
        }
    }

    public int getData() {
        return data;
    }
}

乐观锁与悲观锁

• CAS是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就散改了也没关系，我吃亏点再重试呗
• synchronized是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其他线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了再解开锁，你们才有机会来

原子操作类

• JUC(java.util.concurrent)中提供了原子操作类，可以提供线程安全的操作，例如：AtomicInteger、AtomicBoolean等，它们底层就是采用CAS技术+volatile来实现的
• 可以使用AtomicInteger改写之前的例子

public class JMM07 {
    // 创建原子整数对象
    private static AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                i.getAndIncrement();    // 获取并且自增 i++
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                i.getAndDecrement();    // 获取并且自增 i--
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        // 最终的结果总是0
        System.out.println(i);
    }
}

synchronized优化

• Java HotSpot虚拟机中，每个对象都有对象头（包括class指针和Mark Word），Mark Word平时存储这个对象的哈希码、分代年龄，当加锁时，这些信息就根据情况被替换为标记位、线程锁记录指针、重量级锁指针、线程ID等内容

轻量级锁

• 如果一个对象虽然有多线程访问，但多线程访问的时间是错开的（也就是没有竞争），那么就可以使用轻量级锁来优化，就好比
  • 学生A（线程A）用课本占座，上了半节课就出门了（CPU时间到了），回来一看，发现课本还在，说明没有竞争，继续上他的课
  • 如果此时其他学生B（线程B）来了，会告知学生A（线程A）有并发访问，线程A随即升级为重量级锁，进入重量级锁的流程
  • 而重量级锁就不是用课本占座那么简单了，在学生A走之前，把座位用铁栅栏围了起来
  • 假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁

  static Object obj = new Object();
  public static void method1(){
      synchronized(obj) {
          // 同步块 A    
          method2();
      }
  public static void method2(){
      synchronized(obj) {
          // 同步块 B    
      }
  }

• 每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的Mark Word

线程 1	对象 Mark Word	线程 2
访问同步块 A，把 Mark 复制到线程 1 的锁记录	01（无锁）	-
CAS 修改 Mark 为线程 1 锁记录地址	01（无锁）	-
成功（加锁）	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
执行同步块 A	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
访问同步块 B，把 Mark 复制到线程 1 的锁记录	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
CAS 修改 Mark 为线程 1 锁记录地址	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
失败（发现是自己的锁）	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
锁重入	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
执行同步块 B	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
同步块 B 执行完毕	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
同步块 A 执行完毕	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
成功（解锁）	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
-	01（无锁）	-
-	01（无锁）	访问同步块 A，把 Mark 复制到线程 2 的锁记录
-	01（无锁）	CAS 修改 Mark 为线程 2 锁记录地址
-	00（轻量锁）线程 2锁记录地址	成功（加锁）
-	…	…

锁膨胀

• 如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS操作无法完成，这时一种情况就是有其他线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时就需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁

public static void method1(){
    synchronized(obj) {
        // 同步块 A    
    }
public static void method2(){
    synchronized(obj) {
        // 同步块 B    
    }
}

线程 1	对象 Mark Word	线程 2
访问同步块 A，把 Mark 复制到线程 1 的锁记录	01（无锁）	-
CAS 修改 Mark 为线程 1 锁记录地址	01（无锁）	-
成功（加锁）	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
执行同步块	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
执行同步块	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	访问同步块，把 Mark 复制到线程 2
执行同步块	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	CAS 修改 Mark 为线程 2 锁记录地址
执行同步块	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	失败（发现别人已经占了锁）
执行同步块	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	CAS 修改 Mark 为重量锁
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	阻塞中
执行完毕	10（重量锁）重量锁指针	阻塞中
失败（解锁）	10（重量锁）重量锁指针	阻塞中
释放重量锁，唤起阻塞线程竞争	01（无锁）	阻塞中
-	10（重量锁）	竞争重量锁
-	10（重量锁）	成功（加锁）
-	…	…

重量锁

• 重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。
• 在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。
  • 自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。
  • 好比等红灯时汽车是不是熄火，不熄火相当于自旋（等待时间短了划算），熄火了相当于阻塞（等待时间长了划算）
  • Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能
• 自旋重试成功的情况

线程 1 （cpu 1 上）	对象 Mark	线程 2 （cpu 2 上）
-	10（重量锁）	-
访问同步块，获取 monitor	10（重量锁）重量锁指针	-
成功（加锁）	10（重量锁）重量锁指针	-
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	-
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	访问同步块，获取 monitor
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	自旋重试
执行完毕	10（重量锁）重量锁指针	自旋重试
成功（解锁）	01（无锁）	自旋重试
-	10（重量锁）重量锁指针	成功（加锁）
-	10（重量锁）重量锁指针	执行同步块
-	…	…

• 自旋重试失败的情况

线程 1（cpu 1 上）	对象 Mark	线程 2（cpu 2 上）
-	10（重量锁）	-
访问同步块，获取 monitor	10（重量锁）重量锁指针	-
成功（加锁）	10（重量锁）重量锁指针	-
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	-
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	访问同步块，获取 monitor
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	自旋重试
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	自旋重试
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	自旋重试
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	阻塞
-	…	…

偏向锁

• 轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现这个线程 ID是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS.
  • 撤销偏向需要将持锁线程升级为轻量级锁，这个过程中所有线程需要暂停（STW）
  • 访问对象的 hashCode 也会撤销偏向锁
  • 如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，
  • 重偏向会重置对象的 Thread ID
  • 撤销偏向和重偏向都是批量进行的，以类为单位
  • 如果撤销偏向到达某个阈值，整个类的所有对象都会变为不可偏向的
  • 可以主动使用 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁
• 假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁

static Object obj = new Object();

public static void method1() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步块 A
        method2();
    }
}

public static void method2() {
    synchronized(obj) {
        // 同步块 B
    }
}

线程 1	对象 Mark
访问同步块 A，检查 Mark 中是否有线程 ID	101（无锁可偏向）
尝试加偏向锁	101（无锁可偏向）对象 hashCode
成功	101（无锁可偏向）线程ID
执行同步块 A	101（无锁可偏向）线程ID
访问同步块 B，检查 Mark 中是否有线程 ID	101（无锁可偏向）线程ID
是自己的线程 ID，锁是自己的，无需做更多操作	101（无锁可偏向）线程ID
执行同步块 B	101（无锁可偏向）线程ID
执行完毕	101（无锁可偏向）对象 hashCode

其他优化

1. 减少上锁时间

   • 同步代码块中尽量短

2. 减少锁的粒度

   • 将一个锁拆分为多个锁提高并发度，例如
     • ConcurrentHashMap
     • LongAdder 分为 base 和 cells 两部分。没有并发争用的时候或者是 cells 数组正在初始化的时候，会使用 CAS 来累加值到 base，有并发争用，会初始化 cells 数组，数组有多少个 cell，就允许有多少线程并行修改，最后将数组中每个 cell 累加，再加上 base 就是最终的值
     • LinkedBlockingQueue 入队和出队使用不同的锁，相对于LinkedBlockingArray只有一个锁效率要高

3. 锁粗化

   • 多次循环进入同步块不如同步块内多次循环
   • 另外 JVM 可能会做如下优化，把多次 append 的加锁操作粗化为一次（因为都是对同一个对象加锁，没必要重入多次）

   new StringBuffer().append("a").append("b").append("c");

4. 锁消除

   • JVM 会进行代码的逃逸分析，例如某个加锁对象是方法内局部变量，不会被其它线程所访问到，这时候就会被即时编译器忽略掉所有同步操作。

5. 读写分离

   • CopyOnWriteArrayList
   • ConyOnWriteSet