Synchronized 关键字学习

对初学者来讲，在多线程环境下编程，为了保证线程安全我们想到最直接办法是给代码加锁。使用synchronized关键字修饰一段代码。

我们给出最常见的demo，创建100个线程对全局变量count进行自增操作。

 int count = 0;

    public void addOperator(){
        for(int i= 0;i<100;i++ ){
             new Thread(){
                @Override
                public void run() {
                    count++;
                }
            }.start();
        }
    }

    @Test
    public void testAddOperator(){
        addOperator();
        System.out.print(count);
    }

我们执行单元测试，查看结果发现有时输出100有时输出99.这是什么情况，为什么同样的代码每次的执行的结果却不同。

这引出java 内存模型（java memory model），线程如何协同执行的。

当创建一个线程时，jvm 会开辟一块内存区域存放他。这块内存区域又被划分成5个不同数据区域：java栈、本地方法栈、方法区、堆、程序计数器.

整体上。分为三部分：栈，堆，程序计数器，他们每一部分有其各自的用途；虚拟机栈保存着每一条线程的执行程序调用堆栈；堆保存着类对象、数组的具体信息；程序计数器保存着每一条线程下一次执行指令位置。这三块区域中栈和程序计数器是线程私有的。也就是说每一个线程拥有其独立的栈和程序计数器。

java并发内存模型以及内存操作规则

java内存模型中规定了所有变量都存贮到主内存（如虚拟机物理内存中的一部分）中。每一个线程都有一个自己的工作内存(如cpu中的高速缓存)。线程中的工作内存保存了该线程使用到的变量的主内存的副本拷贝。线程对变量的所有操作（读取、赋值等）必须在该线程的工作内存中进行。不同线程之间无法直接访问对方工作内存中变量。线程间变量的值传递均需要通过主内存来完成。

关于主内存与工作内存之间的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存。如何从工作内存同步到主内存中的实现细节。java内存模型定义了8种操作来完成。这8种操作每一种都是原子操作。8种操作如下：

lock(锁定)：作用于主内存，它把一个变量标记为一条线程独占状态；
unlock(解锁)：作用于主内存，它将一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才能够被其他线程锁定；
read(读取)：作用于主内存，它把变量值从主内存传送到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用；
load(载入)：作用于工作内存，它把read操作的值放入工作内存中的变量副本中；
use(使用)：作用于工作内存，它把工作内存中的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用这个变量的指令时候，将会执行这个动作；
assign(赋值)：作用于工作内存，它把从执行引擎获取的值赋值给工作内存中的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的指令时候，执行该操作；
store(存储)：作用于工作内存，它把工作内存中的一个变量传送给主内存中，以备随后的write操作使用；
write(写入)：作用于主内存，它把store传送值放到主内存中的变量中。

我的理解是线程操作是线程读取(read)主线程的变量，加载(load)到线程栈中。使用(use)这个局部变量并赋值(assign)。再存储(store),线程栈同步到主线程。

多线程操作存在线程读取主线程的变量并不是最新的情况。线程读取主线程的变量后，而这个变量却被其他的线程修改。

锁的释放和获取的内存语义

　　锁是Java并发编程中最重要的同步机制。锁除了让临界区互斥执行外，还可以让释放锁的
线程向获取同一个锁的线程发送消息。当线程释放锁时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中。当线程获取锁时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。从而使得被监视器保护的临界区代码必须从主内存中读取共享变量　

　　对比锁释放-获取的内存语义与volatile写-读的内存语义可以看出：锁释放与volatile写有相同的内存语义；锁获取与volatile读有相同的内存语义。

Synchronized 实现原理

synchronized是基于Monitor来实现同步的。

Monitor从两个方面来支持线程之间的同步：

互斥执行
协作

1、Java 使用对象锁 ( 使用 synchronized 获得对象锁 ) 保证工作在共享的数据集上的线程互斥执行。

2、使用 notify/notifyAll/wait 方法来协同不同线程之间的工作。

3、Class和Object都关联了一个Monitor。

继续深入学习前，了解两个重要概念。

Java对象头、monitor

Java对象头和monitor是实现synchronized的基础。

synchronized 用的锁存在java对象头里。Hotspot 虚拟机的对象头主要包括两部分数据标记字段 mark word ，类型指针klass pointer。 klass pointer 是描述对象指向它的类元数据指针。虚拟机通过这个指针确认这个对象是哪个类的实例。

mark word 记录对象的运行时数据。它是实现轻量级锁和偏向锁关键。

mark word 记录对象自身的运行时数据，比如hashCode GC分代年龄，锁状态标志，线程持有的锁，偏向线程id，偏向时间戳。

java 对象头一般占用2个字节码。

什么叫monitor，一种同步工具。

与一切皆对象一样,所有的java对象都是天生的monitor，

在java设计有看不见的锁，monitor锁。

Monitor 是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用monitor record列表，同时还有一个全局的可用列表。

每一个被锁住的对象都会和一个monitor关联（对象头的MarkWord中的LockWord指向monitor的起始地址），同时monitor中有一个Owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。其结构如下：

Owner：初始时为NULL表示当前没有任何线程拥有该monitor record，当线程成功拥有该锁后保存线程唯一标识，当锁被释放时又设置为NULL；

EntryQ:关联一个系统互斥锁（semaphore），阻塞所有试图锁住monitor record失败的线程。

RcThis:表示blocked或waiting在该monitor record上的所有线程的个数。

Nest:用来实现重入锁的计数。

HashCode:保存从对象头拷贝过来的HashCode值（可能还包含GC age）。

Candidate:用来避免不必要的阻塞或等待线程唤醒，因为每一次只有一个线程能够成功拥有锁，如果每次前一个释放锁的线程唤醒所有正在阻塞或等待的线程，会引起不必要的上下文切换（从阻塞到就绪然后因为竞争锁失败又被阻塞）从而导致性能严重下降。Candidate只有两种可能的值0表示没有需要唤醒的线程1表示要唤醒一个继任线程来竞争锁。

Java中的锁[原理、锁优化、CAS、AQS]

Monitor 工作原理

当一个线程进入同步代码，为了继续执行临界代码，必须争抢Monitor锁，如果获得锁成功，则成为该对象监视器使用者。对象的监视器只属于一个活动线程。Monitor对象的Owner设置成线程标志。
拥有监视器对象的线程，可以调用wait进入waitSet。释放当前Monitor对象锁Owner，进入等待状态。
其他线程调用该对象的notify/notifyAll方法，可以释放waitSet集合的线程。
同步代码执行完毕后，线程退出临界区，并释放监视锁。Monitor 对象Owner 设置为null。

synchonzied 具体实现有