synchronized的底层原理实现以及优化的轻量级锁以及偏向锁

synchronized的底层原理实现以及优化

这里是对前面并发学习的一个补充

首先，先来普及下对象头信息，如下：

其中Mark Word的结构如下：

1、Monitor锁

这个是最原始的加锁方式，也称为重量级锁

• 刚开始Monitor中的owner为null
• 当Thread-2执行到同步代码块时，就会将Owner置为Thread-2
• 另一个线程过来想占用锁，检测到这个锁对象的Monitor的Owner被占用，到Monitor中的EntryList中阻塞等待。等Thread-2线程完成操作释放Owner时随机从EntryList中取出阻塞线程执行同步代码块，占用Owner。
• WaitSet中的线程是之前获取锁的，但条件不满足进入Waiting状态的线程，即调用了wait（）方法后进入等待状态，释放锁。

2、轻量级锁

当一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以用轻量级锁来优化

轻量级锁对用户是透明的，即语法依旧是synchronized

举如下例子，如下有两个同步代码块，利用同一个对象加锁

此时的执行语句如下：

• 创建锁记录对象（Lock Record），每个线程的栈帧都会包含锁记录结构，内部可以存储锁定对象的mark work
  

• 当线程到达method1同步代码块时，让锁记录中Object reference指向锁对象，并尝试cas替换锁对象的mark work，将mark word的值存入锁记录

• 如果此时的对象中的mark word的记录标识为01，表示无锁状态，则替换。如果此时其它线程已经占有了轻量级锁，则进入锁膨胀，如果自己占有这把锁，那么再添加一条Lock Record作为重入的标识，object reference依旧指向object对象，此时的锁记录为null

• 当退出同步代码块时，如果锁记录为null，直接出栈，表示重入计数减一

• 当退出同步代码块时，锁记录不为null，这时使用cas将mark word的值恢复给对象头
  • 成功，解锁成功
  • 不成功，说明有其它线程要进入同步代码块，锁已经发生锁膨胀，进入重量级解锁流程

锁膨胀：

在上面实例中，如果有线程（Thread-0）已经占有了轻量级锁，另一个线程（Thread-1）再次进入同步代码块，检测到对象的mark work的标识为00，则会发生锁膨胀，将锁转变为重量级锁。为object申请Monitor锁，并让mark word指向Monitor，自己进入Monitor对象的entryList进行等待，此时Ower指向锁记录对象的对象引用

当Thread-1执行完同步代码块的代码，使用cas将Mark word的值恢复给对象头，此时会失败。这时为进入重量级解锁流程，按照Monitor地址找到Monitor对象，将Owner设置为null，并唤醒EntryList中等待的线程。

自旋：

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当自旋成功（即这个时候锁线程已经推出了同步块，释放了锁），这时当前线程就不会阻塞。

3、偏向锁

轻量级锁在没有竞争的时候，每次重入仍然需要执行cas（建立一个锁记录对象）

此时jdk6引入偏向锁，第一次即使用cas将线程的id设置到mark word头，之后发现这个线程的id为自己的表示没有竞争，不用重写cas，以后只要不发生竞争，这个对象就归线程所有

一个对象创建的时候：

• 一个对象的创建默认就是开启偏向锁，此时mark word值为0x05即最后三位为101，这时它的thread、epoch、age都为0
• 此时一个线程进入同步代码块，mark word的值将会记录其的线程id，以后每次进入同步代码块，确认是同一个线程所占用锁，便可直接进入同步代码块
• 如果没有开启偏向锁，那么对象创立后，markword值为0x01即最后3位为001，这时它的hashcode、age都为0，第一次用到hashcode才会赋值

偏向锁失效的情况:

• 调用对象的hashcode，偏向锁对象markword中存储的是线程id，如果调用对象的hashcode会导致偏向锁被撤销

轻量级锁会在所记录中记录hashcode

重量级锁会在monitor中记录hashcode

• 撤销，当其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁

• 调用wait/notify

偏向锁批量重偏向

对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程t1线程的对象仍有机会偏向t2，重偏向会重置对象的Thread ID

当撤销偏向锁的阈值超过20次，jvm会给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程，即前20个对象的锁对象变为轻量级锁，后面的对象mark work记录此次调用它的Thread id，实现偏向锁重偏向

偏向锁批量撤销:

当偏向锁阈值达到40次后，jvm会将整个类的所有对象都改位不可偏向的，新键的对象也是不可偏向

如上图所示，此时又来个线程访问对象，循环40次，此时前20个锁对象依旧为轻量级锁，后面20个锁对象由偏向锁变为轻量级级锁，此时再创建对象，默认的偏向锁机制将改变，创建的对象mark word标识为001，即无锁状态。

锁消除:

如上图所示，此时的锁对象o对于每个线程来说都不同，此时编译时JIT编译器优化将会把锁取除。

总结：锁可以升级, 但不能降级. 即: 无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁是单向的.

---