标签：同步 Java CAS ReentrantLock 获取 state 线程 JVM
Java中在多线程的环境下，多线程并发的操作可能会导致某些变量发生数据不一致的情况，那么如何去保证线程安全，更好的使用多线程呢？可以使用同步锁，但是同步锁在保证线程安全的同时，也会导致程序的并发性降低，操作比较重量级，JVM是如何对锁进行优化，来保证锁的效率和功能呢？一起来学习JVM关于线程安全与锁优化的相关知识吧~
线程安全
线程安全的实现方法
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互斥同步
含义：互斥同步又叫阻塞同步，简单来讲就是让本来是多线程执行的操作变为单线程，即保证共享数据在同一时刻制备一个线程使用。实现方式：
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synchronized关键字
Syncrhonized是最基本的同步手段，由JVM层面来控制程序的同步，synchronized关键字在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令。保证获取到monitor对象之后，在同步块的范围内只会有一个线程执行，其他的线程在没有获取到锁时，会处于阻塞阶段。
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Lock接口
JUC包下的ReentrantLock也可以实现同步，当线程获取到锁时可以正常执行，没有获取到锁的线程会自旋等待或者阻塞。其中
ReentrantLock的实现方式为API层面，通过AQS（后面会有文章单独对AQS进行解析哦~），可以理解为等待队列和state变量、CAS操作保证线程的锁机制，实现同步。
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非阻塞同步
因为线程的阻塞和唤醒操作是非常重量级的操作，需要在用户态和内核态之间转换，所以通过非阻塞同步的方案，实现线程同步的机制，提高线程的并发性。
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CAS操作
CAS(compare and swap)比较并交换就是一种乐观锁策略，在实现同步的过程中，并不需要将线程阻塞。
**含义：**CAS是Compare And Swap的简称，从字面上理解就是比较并交换，简单来说：从某一内存上取值V，和预期值A进行比较，如果内存值V和预期值A的结果相等，那么我们就把新值B更新到内存，如果不相等，那么就重复上述操作直到成功为止
CAS操作是CPU级别的指令，原子性由CPU等硬件进行保证，是一个原子性操作，可以保证CAS操作过程中的数据的一致性。
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CAS的缺点
- ABA问题
- 只能保证一个变量的原子性
- 无效的忙循环
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无同步方案
无需使用锁就可以保证线程的安全性，主要有两种方式：
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ThreadLocal
将需要和其他线程共享的数据放到ThreadLocal中，限制数据的可见范围在同一个线程中。让数据变为线程私有的数据，那么就不存在数据需要同步的操作
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纯代码
纯代码即不依赖全局变量、存储在堆中的数据和公用的系统资源，用来的状态量都是参数中传入的。只要输入了相同的数据，那么任意情况下都返回相同的结果
纯代码不依赖堆中的数据，使用到的变量都是栈中的，线程私有的，可以保证线程的安全性，无需同步。
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Synchronized实现原理
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实现原理
sychronized底层是通过Monitor对象来实现锁机制的，在sychronized关键之前，线程会先执行monitorenter指令（JVM指令），则先去获取锁，如果可以获取到锁，则将Monitor对象中的持有锁owner修改（CAS操作）为当前线程id（owner表示持有锁的线程），并将state变量+1（state是当前线程获取锁的次数，保证了锁的可重入性）。其他的没有获取到锁的线程会进入到Monitor对象的EntryList队列中等待。当前线程在退出sychronized的范围时，会执行monitorexit指令，会将state-1，如果state=0，则释放锁，将Monitor对象中的owner重置，并唤醒等待队列中的线程继续抢夺锁。 -
Monitor结构ObjectMonitor() { ...... // 用来记录该线程获取锁的次数 _count = 0; // 锁的重入次数 _recursions = 0; // 指向持有ObjectMonitor对象的线程 _owner = NULL; // 存放处于wait状态的线程队列 _WaitSet = NULL; // 存放处于等待锁block状态的线程队列 _EntryList = NULL ; ...... }
ReentrantLock实现原理
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实现原理
ReentrantLock底层是通过鼎鼎大名的
AQS来实现，无论是公平锁还是非公平锁，都是通过AQS实现，而AQS的实现，简单说就是基于volatile修饰的state变量和CLH队列以及CAS操作实现（CLH队列可以理解为链表实现的双端队列）当线程获取锁时，会先判断当前线程是否已经获取到锁，如果是重入线程，那么就将state++直接获取到锁，如果不是重入线程，并且当前
state=0(表示锁没有被其他线程获取)，那么就通过CAS操作获取锁，如果将state修改为1,表示获取到锁，记录当前获取锁的线程。如果CAS操作失败，那么就将当前线程加入到CLH队列中，并通过自选的方式判断前一个节点是否为头结点，如果是头节点，则尝试获取锁，当自旋获取不到锁，则阻塞等待。当释放锁时，将state--，如果当前的state=0,那么就释放锁，并将队列中的下一个线程唤醒。
彩蛋
- 说一说Synchronized和ReentrantLock的异同点
- 相同点
- synchronized和ReentrantLock（默认）都是非公平锁、可重入锁
- 不同点
- synchronized是JVM层面的锁，是一个关键字
- ReentrantLock是Lock接口的实现类，是Java中的API
- ReentrantLock可以设置为公平锁，而Synchronized只能是非公平锁
- ReentrantLock可以绑定多个条件对象，而Synchronized是通过锁对象的
wait()、notify()或notifyAll()方法配合实现锁条件。 - Synchronized由JVM来控制加锁和释放锁的操作，并且在异常发生的时候，也回释放锁，ReentrantLock必须通过手动加锁、释放锁、并且在finally中需要释放锁来保证不会阻塞其他线程
标签：同步,Java,CAS,ReentrantLock,获取,state,线程,JVM 来源： https://blog.csdn.net/weixin_42054155/article/details/115058253
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