Chapter 2 Java并发机制的底层实现原理

synchronized用的锁是存储在Java对象头里的。如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字宽（Word）存储对象头，如果是非数组类型，则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中，1字宽等于4字节，即32bit。

Java对象头的内容：

（1）Mark Word：1字宽，存储对象的hashCode或锁信息。

（2）Class Metedata Address：1字宽，存储到对象类型数据的指针。

（3）Array length：1字宽，数组的长度（如果当前对象是数组）。

Java对象头里的Mark Word默认存储对象的HashCode（25bit），对象分代年龄（4bit），是否使用偏向锁（1bit），锁标志位（2bit）。

在运行期间，Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。

（1）无锁状态：对象的hashCode（25bit），对象分代年龄（4bit），是否使用偏向锁（1bit，值为0），锁标志位（2bit，值为01）。

（2）偏向锁：线程ID（23bit），Epoch（2bit），对象分代年龄（4bit），是否使用偏向锁（1bit，值为1），锁标志位（2bit，值为01）。

（3）轻量级锁：指向栈中锁记录的指针（30bit），锁标志位（2bit，值为00）。

（4）重量级锁：指向互斥量（重量级锁）的指针（30bit），锁标志位（值为10）。

（5）GC标记：空（30bit），锁标志位（值为11）。

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2.1 偏向锁

在Java SE 1.6中，锁一共有4种状态，级别从高到低依次是：无锁状态，偏向锁状态，轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级，锁可以升级却不能降级。Epoch表示一个偏向锁的时间戳，用来解决两个线程（一前一后）不存在竞争的情况。引入偏向锁可以降低同一线程锁重入的代价。

偏向锁的竞争与释放：

（1）首先检查对象的Mark Word是否位偏向锁状态，锁标志位01，偏向锁标志位位1。

（2）检查对象头中的线程ID是否为测试线程ID，如果是，进入步骤5，如果不是进入步骤3。

（3）如果对象头中的线程ID不为测试线程ID，测试线程执行CAS操作替换Mark Word。如果替换成功，则执行步骤5,；否则，执行步骤4。

（4）如果CAS获取偏向锁失败，则表示存在竞争。当到达全局安全点时获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，被挂起的线程恢复继续执行。

（5）执行同步块代码。

偏向锁的优势：大多数情况下，锁不存在多线程竞争，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。当一个线程访问同步块时，会在对象头里记录获得偏向锁的线程ID，以后该线程进入或退出同步块时不需要再通过CAS操作来加锁和解锁，只需要简单测试一下对象头中的线程ID是否和当前竞争锁的线程ID相同。

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2.2 轻量级锁

轻量级锁的加锁过程：

（1）线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈中创建一块用于存储锁记录的空间，并将对象头的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。

（2）线程尝试使用CAS操作尝试将Mark Word设置为指向锁记录的指针。如果设置成功，执行步骤3，否则执行步骤4。

（3）设置成功后，表示当前线程获得了该对象的锁，并将锁标志位设为00。

（4）如果设置失败，表示其他线程竞争锁，当前线程自旋获取锁。获取失败，轻量级锁升级为重量级锁。自旋：循环一定次数获取锁，可以不阻塞当前线程。

轻量级锁的解锁过程：

（1）使用CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有发生竞争。如果失败，表示当前锁存在竞争，轻量级锁膨胀升级为重量级锁。

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2.3 重量级锁

重量锁在JVM中又叫对象监视器（Monitor），它至少包含一个竞争锁的队列，和一个信号阻塞队列（wait队列），前者负责做互斥，后一个用于做线程同步。监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的。而操作系统实现线程之间的切换这就需要从用户态转换到核心态，这个成本非常高，状态之间的转换需要相对比较长的时间，这就是为什么Synchronized效率低的原因。

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2.4 锁的对比

（1）偏向锁：优点：加锁和解锁不需要额外的开销。缺点：如果线程间存在竞争，会存在锁撤销的开销。适用场景：适用于只有一个线程访问同步块的场景。

（2）轻量级锁：优点：竞争锁的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度。缺点：如果竞争锁的线程始终得不到锁，自旋消耗CPU。适用场景：追求响应时间，同步块执行时间非常快，线程交替执行同步块的情况，如果存在同一时间访问同一锁的情况，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。。

（3）重量级锁：优点：线程竞争使用自旋，不会消耗CPU。缺点：线程阻塞，响应时间长。使用场景：追求吞吐量的场景。