synchronized 重量级锁分析

1. 背景

在JDK1.6以前，synchronized 的工作方式都是这种重量级的锁。它的实现原理就是利用 kernel 中的互斥量,mutex。主要是内核中的mutex 能够保证它是一个互斥的量。如果线程1拿到了 mutex,那么线程2就拿不到了。这是内核帮我们保证的。

至于为什么可以，可以去了解一下内核中的互斥量。

2. 为啥叫做重量级锁

内核需要去申请这个互斥量，必须要进入内核态。也就是这里需要用户态，内核态的切换。状态的切换，开销是比较大的。这就是重型锁的一个弊端。对于重型锁的一些主要的封装都是在 c 语言中的 pthread 这样一个库中，比如mutex_init, mutex_lock 等。之所以叫重量级锁，就是因为需要进入到内核态。

3. 能否在用户态实现一把互斥锁

我们不需要进入到内核态就能够获取到这样的一把锁，也就是在用户态就可以实现一把锁。

比如说，现在就有一把锁，就叫做 state。0:表示未被使用，1 表示锁被占用了。

lock 的实现

如果锁当前是被占用的状态，那么程序就一直死循环。如果某个时刻，有一个线程把锁释放了，那么就退出死循环，执行下一行 state = 1。而且持有者=当前线程。也就是 state = 0的时候，就可以任务当前线程可以拿到这把锁了。

unlock 的实现

释放锁的时候，首先需要判断一下当前持有锁的线程是不是当前线程。如果是当前线程，那么就将 state 置为0，持有者 = null。

当前设计方式存在的问题

while(state==1); state = 1;其实可以认为这个是比较赋值俩步操作，先比较，符合条件了，再进行赋值。那么其实这不是原子性的。比如说在比较的时候，俩个线程同时进行了比较，这俩个线程同时发现state = 0，那么这俩个线程同时都去会执行 state = 1的操作，这俩个线程都认为自己拿到了锁，那么这个就产生了并发的问题了。

如何改进这个问题呢？

我们看到比较和赋值不是原子性的，在软件层面，我们也无法保证这俩步的原子性。所以，计算机给我们提供了原语，也就是 CAS。

那么我们来看一下如何改进呢？我们把比较赋值这俩步操作，变成了一个原语操作，CAS。比较并交换。CAS中有三个参数，cas(state,0,1)。比较state的当前值是不是0，如果是0，那么就赋值为1。

再看看一下 unlock的操作。在unlock操作中，其实也是一个比较赋值的操作，首先判断当前持有者是不是当前线程，如果是，再进行赋值。那为什么这里不需要用cas呢？因为必定是持有锁的线程才能执行到下一行。

而且赋值操作中，先赋值持有者 = null。再赋值 state = 0。因为如果先执行 state = 0, 那么就相当于先释放掉这把锁了，另外一个线程就会执行 lock 成功，拿到锁，持有者 = 当前线程。那么就可能会带来一些问题。因为此时释放掉的锁并不是当前线程持有的锁。

这种锁也叫做自旋锁。

自旋锁的优点与缺点

自旋锁，spinLock。自旋锁不需要进入到内核态，整个程序的执行都是在用户态的，包括cas。但是cas不是计算机的原语吗？因为计算机的指令和用户态，内核态没有关系。

自旋锁当然也有缺点。 lock 操作如果一直没有拿到锁的话，会一直尝试。这是需要消耗cpu资源的。所以自旋锁对于锁竞争比较激烈的情况下，是不适用的。

总结

mutex锁和自旋锁各有优缺点，那么我们能不能把这俩者结合一下呢？ JDK 1.4 以前是借助内核中的 Mutex 互斥量； JDK1.4 以后是利用自旋锁，自旋n次以后，还是没有拿到锁的话，就切换到mutex。也就是将自旋锁和mutex进行了一个结合。因为mutex 加锁失败以后，会挂起，让出cpu资源。这样的话，算是对资源的一个合理利用。 JDK1.4以前，我们是可以设置自旋次数的，但是1.6以后，JDK可以自适应自旋，不用设置这个参数了。

当然现在我们所说的都是重量级锁。包括mutext, 自旋锁，自适应自旋锁。