多线程下，无锁代码可能产生的问题

首先看下面的代码，逻辑很简单，定义了5个线程，这5个线程分别对同一个对象的成员变量num进行10000次递增操作，最后等待所有线程执行完成后，将num结果输出。

正常情况下，我们预期的输出是50000，但运行程序之后，实际输出结果并不是如此，结果可能是50000，也可能小于50000。

为什么会出现结果小于50000的情况呢？

首先，我们要知道，线程在执行"num++"这句代码时，实际上会执行三个动作：

读取num的值；

修改num的值；

将修改后的num刷新到内存中。

由于此处有5个线程同时在执行这段代码，所以可能出现这种情况：线程1读取到了num的值为0，此时，线程1还没有执行修改num值的动作，线程2也读取了num的值，那么线程2读取到的num的值也是0，那此时线程1和线程2对num做递增操作时，都是对0进行加1，所以线程1和线程2的运行结果都是1。可以看到，虽然线程1和线程2都对num执行了一次++操作，但结果并不是2，而是1。

这就是导致我们上面程序的运行结果可能出现不是50000的情况的原因。

解决方案：synchronized

通过上面的分析我们知道了出现这种情况的原因是多个线程同时对num这个变量做操作导致的，那我们就知道该如何解决这个问题了：每次只允许一个线程执行该段代码，其他线程要等待这个线程执行完成后再执行该段代码。而synchronized关键字就可以做到这一点。

synchronized是java提供的一种原子性内置锁，Java中的每个对象都可以把它当作一个同步锁来使用，这些Java内置的使用者看不到的锁被称为内部锁，也叫作监视器锁。内置锁是排它锁，也就是当一个线程获取这个锁后， 其他线程必须等待该线程释放锁后才能获取该锁。

synchronized的使用方式

synchronized关键字作用在普通方法上，作用范围是整个方法，作用对象为调用这个方法的对象。即同一时间只能有一个线程进入该对象的这个方法，其他线程需在这个方法外等待上个线程退出该方法后才能进入。使用案例：

synchronized关键字作用在某段代码块上，作用范围是处于synchronized同步块中的代码段，作用对象是synchronized括号中的对象。使用案例：

synchronized关键字作用在静态方法上，作用范围是整个静态方法，作用对象是这个类的所有对象。使用案例：

一个对象未被当成锁时，就是一个普通的对象，此时，Mark Word中，是否偏向锁的值是0，锁标志位的值是01；

Mark Word

synchronized原理分析

到这里，我们已经会使用synchronized关键字来解决多线程并发的同步安全问题了，那synchronized是如何实现这种线程同步互斥功能的呢？

从synchronized的3种使用方式中，我们知道，synchronized实际是作用在对象上的，那锁的实现肯定也与对象在内存中的存储有关系。所以，在学习其原理之前，我们有必要先来了解下另一个名词：Mark Word。

Mark Word

JVM虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。对象头又包括两部分信息：运行时数据和类型指针。运行时数据（如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID等等）的长度在32位和64位的虚拟机中分别占32Bits和64Bits（没有开启压缩指针的情况），官方称他为“Mark Word”。在此我向大家推荐一个架构学习交流圈。交流学习指导伪鑫：1253431195（里面有大量的面试题及答案）里面会分享一些资深架构师录制的视频录像：有Spring，MyBatis，Netty源码分析，高并发、高性能、分布式、微服务架构的原理，JVM性能优化、分布式架构等这些成为架构师必备的知识体系。还能领取免费的学习资源，目前受益良多

在32位虚拟机中，一个对象的Mark Word默认存储结构如下：

此时的对象处于无锁状态，32Bits空间中的25Bits用于存储对象哈希码(HashCode)，4Bits用于存储对象分代年龄，2Bits用于存储锁标志位，1Bits固定为0。当给该对象加上不同级别的锁之后（偏向锁、轻量级锁、重量级锁），Mark Word的存储结构如下：

我们可以根据Mark Word中的是否偏向锁（biased_lock）和锁标志位（lock）的值来判断对象当前的状态。

了解了Mark Word之后，我们就可以分析锁的实现原理了。

锁升级

从Mark Word的存储结构图中，我们可以看到，锁的级别分为：无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。一个对象从无锁状态->偏向锁->轻量级锁->重量级锁的转化，称为锁的升级。升级过程参考下图：

1. 一个对象未被当成锁时，就是一个普通的对象，此时，Mark Word中，是否偏向锁的值是0，锁标志位的值是01；
2. 当这个对象被当作锁来用（例如使用synchronized修饰），并且有一个线程A抢占到了这把锁，此时，该对象的锁就变为了偏向锁，Mark Word中，是否偏向锁的值被修改为1，锁标志位的值不变，还是01，线程ID的值存储的是线程A的id；
3. 当线程A再次尝试获得锁时，发现当前对象的锁已经是偏向锁了，就会比较Mark Word中线程ID的值是否与当前线程的ID一致，若一致，则表示线程A已经获得了这把偏向锁，此处就可以直接执行同步代码块，而不需要再次加锁解锁处理；
4. 当线程B尝试获得该锁时，发现当前对象的锁是偏向锁，并且Mark Word中线程ID也不是线程B的id，那么线程B会先通过一次CAS操作尝试获得锁。如果恰好此时线程A释放了锁，线程B就有可能抢占锁成功，那就会把Mark Word中线程ID的值修改为线程B的id；
5. 如果线程B通过一次CAS操作抢占锁失败了，那就代表当前锁存在竞争，会被升级为轻量级锁。虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝。JVM将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，并将Lock record里的owner指针指向Mark Word，详见下图。如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为00，表示此对象处于轻量级锁定状态；

6.如果上述的更新操作失败了，表示竞争锁失败，此时，JVM会使用自旋锁（相当于一个循环）不断重试尝试获取锁的动作，JDK1.7开始，循环次数由JVM决定。如果自旋尝试获取锁成功，表示当前线程抢占到锁，可以执行同步代码块；

7.如果字段尝试获取锁后依然失败，表示当前锁竞争非常激烈，会被升级为重量级锁，Mark Word中，锁标志位的值被修改为10。此时，其他未抢占到锁的线程都会被阻塞。

以上就是synchronized的实现原理了。过程中涉及一个名词：CAS操作，意思就是拿期望值与旧值相比，如果相等，则更新为新值并返回true，否则不进行更新，返回false。