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# 锁专题
#### [1.sychronize的实现原理是怎么样的？](#sychronize的实现原理是怎么样的？)
#### [2.AbstractQueuedSynchronizer(缩写为AQS)是什么？](#AbstractQueuedSynchronizer(缩写为AQS)是什么？)
### sychronize的实现原理是怎么样的？
```java
public class SyncTest {
public void syncBlock(){
synchronized (this){
System.out.println("hello block");
}
}
public synchronized void syncMethod(){
System.out.println("hello method");
}
}
```
当SyncTest.java被编译成class文件的时候，`synchronized`关键字和`synchronized`方法的字节码略有不同，我们可以用`javap -v` 命令查看class文件对应的JVM字节码信息，部分信息如下：
```java
{
public void syncBlock();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
0: aload_0
1: dup
2: astore_1
3: monitorenter // monitorenter指令进入同步块
4: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
7: ldc #3 // String hello block
9: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
12: aload_1
13: monitorexit // monitorexit指令退出同步块
14: goto 22
17: astore_2
18: aload_1
19: monitorexit // monitorexit指令退出同步块
20: aload_2
21: athrow
22: return
Exception table:
from to target type
4 14 17 any
17 20 17 any
public synchronized void syncMethod();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED //添加了ACC_SYNCHRONIZED标记
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #5 // String hello method
5: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return
}
```
对于`synchronized`关键字而言，`javac`在编译时，会生成对应的`monitorenter`和`monitorexit`指令分别对应`synchronized`同步块的进入和退出，有两个`monitorexit`指令的原因是为了保证抛异常的情况下也能释放锁，所以`javac`为同步代码块添加了一个隐式的try-finally，在finally中会调用`monitorexit`命令释放锁。
而对于`synchronized`方法而言，`javac`为其生成了一个`ACC_SYNCHRONIZED`关键字，在JVM进行方法调用时，发现调用的方法被`ACC_SYNCHRONIZED`修饰，则会先尝试获得锁。
#### 锁
这是网上看到的一个流程图：
就是Java对象的内存布局其实由对象头+实例数据+对齐填充三部分组成，而对象头主要包含Mark Word+指向对象所属的类的指针组成。Mark Word主要用于存储对象自身的运行时数据，哈希码，GC分代年龄，锁标志等。
下面就是Mark Word的数据映射表
##### 偏向锁
根据上面的表来看，Mark Word后三位为101时，加锁对象的状态为偏向锁，偏向锁的意义在于同一个线程访问sychronize代码块时不需要进行加锁，解锁操作，性能开销更低（HotSpot[1]的作者经过研究发现，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。）
因为正常情况下，当一个线程访问同步块并获取轻量级锁时，需要进行CAS操作将对象头的锁记录里指向当前线程的栈中的锁记录，执行完毕后需要释放轻量级锁。如果是同一个线程多次访问sychronize代码块，多次获取和释放轻量级，开销会偏大，所以会一开始判断对象是无锁状态，会将对象头设置为偏向锁，并且这个的线程ID到Mark Word，后续同一线程判断加锁标志是偏向锁，并且线程ID一致就可以直接执行。
#### 轻量级锁
JVM的开发者发现在很多情况下，在Java程序运行时，同步块中的代码都是不存在竞争的，不同的线程交替的执行同步块中的代码。这种情况下，用重量级锁是没必要的。因此JVM引入了轻量级锁的概念。
线程在执行同步块之前，JVM会先在当前的线程的栈帧中创建一个`Lock Record`，其包括一个用于存储对象头中的 `mark word`（官方称之为`Displaced Mark Word`）以及一个指向对象的指针。下图右边的部分就是一个`Lock Record`。
(1)轻量级锁加锁
线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并 将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用 CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁，自旋获取锁失败的次数达到一定次数后就会进行锁升级，将锁升级为重量级锁，当前线程就会被阻塞，直到获得轻量级锁的线程执行完毕，释放锁，唤醒阻塞的线程。
(2)轻量级锁解锁
轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成 功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。图2-2是 两个线程同时争夺锁，导致锁膨胀的流程图。
### 重量级锁
重量级锁是我们常说的传统意义上的锁，其利用操作系统底层的同步机制去实现Java中的线程同步。
重量级锁的状态下，对象的`mark word`为指向一个堆中monitor对象的指针。
一个monitor对象包括这么几个关键字段：cxq（下图中的ContentionList），EntryList ，WaitSet，owner。
其中cxq ，EntryList ，WaitSet都是由ObjectWaiter的链表结构，owner指向持有锁的线程。
当一个线程尝试获得锁时，如果该锁已经被占用，则会将该线程封装成一个ObjectWaiter对象插入到cxq的队列尾部，然后暂停当前线程。当持有锁的线程释放锁前，会将cxq中的所有元素移动到EntryList中去，并唤醒EntryList的队首线程。
如果一个线程在同步块中调用了`Object#wait`方法，会将该线程对应的ObjectWaiter从EntryList移除并加入到WaitSet中，然后释放锁。当wait的线程被notify之后，会将对应的ObjectWaiter从WaitSet移动到EntryList中。
#### 三种锁的优缺点对比
参考文章：
[死磕Synchronized底层实现--概论](https://github.com/farmerjohngit/myblog/issues/12)
[浅谈偏向锁、轻量级锁、重量级锁](https://www.jianshu.com/p/36eedeb3f912)
### AbstractQueuedSynchronizer(缩写为AQS)是什么？
AQS就是AbstractQueuedSynchronizer，抽象队列同步器，是一个可以用于实现基于先进先出等待队列的锁和同步器的框架。实现锁
ReentrantLock，Semaphore，ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的。
ReentrantLock其实就是有一个变量sync，Sync父类是AbstractQueuedSynchronizer
```java
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
private final Sync sync;
}
```
ReentrantLock的非公平锁与公平锁的区别在于非公平锁在CAS更新state失败后会调用tryAcquire()来判断是否需要进入同步队列，会再次判断state的值是否为0，为0会去CAS更新state值，更新成功就直接获得锁，否则就进入等待队列。
而公平锁首先判断state是否为0，为0并且等待队列为空，才会去使用CAS操作抢占锁，抢占成功就获得锁，没成功并且当前线程不是获得锁的线程，都会被加入到等待队列。
参考资料：
深入理解ReentrantLock的实现原理