Java并发——Synchronized关键字和锁升级，详细分析偏向锁和轻量级锁的升级

synchronized的基本认识

• 数据不安全性的本质在于：共享数据存在并发操作
• jdk1.6对synchronized进行了优化，引入了偏向锁和轻量级锁的概念。
• synchronized有三种加锁的方式，不同的修饰类型，代表了锁的控制粒度
  • 修饰实例方法，作用于当前对象实例
  • 修饰静态方法，作用于当前类对象
  • 修饰代码块，作用于当前代码块，进入同步代码块前要获得给定对象的锁
• HostSpot虚拟机中，对象的存储分为三个区域：对象头(Header)、实例数据(Instance Data)、对齐填充(Padding)
• 互斥不是根据修饰的是不是同一个类的方法判断，而是根据是不是同一个锁对象判断，是同一个锁对象才会互斥

漫谈对象存储（仅针对于hotspot虚拟机）

• new创建一个对象的时候JVM层面实际上会创建一个instanceOopDesc对象，instanceOopDesc定义在instanceOop.hpp文件中，instanceOopDesc继承自oopDesc，oopDesc定义在Hotspot源码中的oop.hpp文件中
• 普通实例对象中，oopDesc的定义包含两个成员，分别是_mark和_metadata
• _mark表示对象标记，也就是MarkWord，记录了对象和锁的有关信息
• _metadata表示类元信息，类元信息存储的是对象指向它的类元数据(Klass)的首地址，其中Klass表示普通指针、_compressed_Klass表示压缩类指针
• MarkWord的定义【32位虚拟机】：
  
• MarkWord的存储情况【32位虚拟机】
  

锁的存储

• 为什么任何对象都可以实现锁？
  • java中的每个对象都继承自Object类，而每个Object在JVM内部都有一个native的C++对象oop/oopDesc进行对应
  • 线程在获取锁的时候，实际上就是获得一个监视器对象，monitor可以认为是一个同步对象，所有的java对象是天生携带monitor。多个线程访问同步代码块时，相当于去争抢对象监视器修改对象中的锁标识。

synchronized锁的升级

在synchronized中，锁存在四种状态：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。

偏向锁

• 偏向锁的基本原理：当一个线程访问加了同步锁的代码块时，会在对象头中存储当前线程的ID，后续这个线程进入和退出这段加了同步锁的代码块时，不需要再次加锁和释放锁，而是直接比较对象头里面是否存储了当前线程的偏向锁。如果相等则表示偏向锁是偏向于当前线程的，就不再尝试获得锁了。
• 偏向锁的获取：
  1. 获得锁对象的MarkWord，判断是否处于可偏向状态（biased_lock_bits=1,且ThreadId为空）
  2. 如果是可偏向状态，则通过CAS操作，把当前线程的ID写入MarkWord
     • 如果CAS成功，表示当前线程获得了偏向锁，并执行同步代码
     • 如果CAS失败，说明存在竞争，需要撤销已获得偏向锁的线程，并且把它持有的锁升级为轻量级锁（这个操作需要等到全局安全点，也就是没有线程在执行字节码）才执行
  3. 如果是已偏向状态（偏向锁不会主动释放锁），检查MarkWord中存储的ThreadID是否等于当前线程的ThreadID
     • 如果相等，直接执行同步代码
     • 如果不相等，就会进行偏向锁撤销（或重新偏向，或锁升级）
• 偏向锁的撤销：偏向锁的撤销并不是把对象恢复到无锁可偏向状态，因为偏向锁并不存在锁释放的概念
  1. 原获得偏向锁的线程已经退出了临界区（同步代码块执行完），那么会将锁对象设置成无锁状态并重新偏向
  2. 如果未退出临界区，则暂停当前获得锁的线程，升级为轻量级锁。
• 其他：偏向锁是默认开启的，而且开始时间一般是比应用程序启动慢几秒，如果不想有这个延迟，那么可以使用-XX:BiasedLockingStartUpDelay=0；如果不想要偏向锁，那么可以通过-XX:-UseBiasedLocking = false来设置；（在高并发场景下，有时开启偏向锁反而会提高获取锁资源的消耗）

轻量级锁

• 升级轻量级锁的过程
  1. 线程在自己的栈帧中创建锁记录LockRecord
  2. 将锁对象的对象头中的MarkWord复制到刚刚创建的LockRecord中
  3. 将LockRecord中的Owner指针指向锁对象
  4. 将锁对象的对象头的MarkWord替换为 指向LockRecord的指针
     
• 自旋锁：轻量级锁在加锁的过程中用到了自旋锁，当另外线程竞争锁时会自旋原地等待，而不是把线程阻塞。自旋也必须要有一定的条件控制，否则如果一个线程执行同步代码块的时间很长，反而会消耗过多CPU资源。默认情况下自旋次数为10次，可以通过-XX:PreBlockSpin=10来修改。
• 自适应自旋锁：在jdk1.6之后引入了自适应自旋锁，这种自旋锁的自旋次数不是固定不变的。比如某个锁，自旋很少获得成功过，那么以后自旋次数会很少或者直接阻塞线程。
• 轻量级锁的解锁：其实就是获得锁的逆向逻辑，通过CAS操作把线程栈帧中的LockRecord替换回到锁对象的MarkWord中，如果成功表示没有竞争，失败则会膨胀为重量级锁。

重量级锁

重量级锁的进入与退出：

当轻量级锁膨胀到重量级锁之后，就意味着线程只能被挂起阻塞来等待被唤醒了

1. 编写测试文件：
   
2. 执行javac命令，生成class文件
   
3. 执行javap -c命令，查看字节码
   
4. 分析：
   • 每一个Java对象都会与一个监视器monitor关联，我们可以把它理解成为一把锁，当一个线程想要执行一段被synchronized修饰的同步代码块时，该线程得先获取synchronized修饰的对象对应的monitor
   • monitorenter表示去获得一个对象监视器，monitorexit表示释放monitor的所有权，使得其他被阻塞的线程可以去尝试获得这个监视器
   • monitor依赖操作系统的MutexLock（互斥锁）来实现的，线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态和内核态之间来回切换，严重影响了锁的性能。
     重量级锁加锁的基本流程：