synchronized的锁机制和算法

- 1.偏向锁

利用乐观锁的方式去处理问题
java对象在内存中的存储结构主要有一下三个部分：

内容	说明
Mark Work	hashCode,GC分代年龄，锁信息
Class Metadata Address	指向对象类型数据的指针
Array Length	数组的长度(当对象为数组时)

关于Mark Work部分的数据

bit fields	是否偏向锁	锁标志
hash	1 (1表示加锁 0表示未加锁)	012 (线程ID)

解释:
1.Load-and-test ,先判断是不是当前线程id是否与Markword当中的线程id是否一致.
2.是就继续执行
3.不是就去判断偏向锁的标识
4.如果没有偏向就CAS操作去竞争锁,没拿到就去继续判断, 此时可能就要根据另外线程的情况，可能是重新偏向，也有可能是做偏向撤销，但大部分情况下就是升级成轻量级锁了。

- 2.锁膨胀

刚才说了，当出现有两个线程来竞争锁的话，那么偏向锁就失效了，此时锁就会膨胀，升级为轻量级锁。这也是我们经常所说的锁膨胀

由于偏向锁失效了，那么接下来就得把该锁撤销，锁撤销的开销花费还是挺大的，其大概的过程如下：

1. 在一个安全点停止拥有锁的线程。
2. 遍历线程栈，如果存在锁记录的话，需要修复锁记录和Markword，使其变成无锁状态。
3. 唤醒当前线程，将当前锁升级成轻量级锁。

所以，如果某些同步代码块大多数情况下都是有两个及以上的线程竞争的话，那么偏向锁就会是一种累赘，对于这种情况，我们可以一开始就把偏向锁这个默认功能给关闭

- 3.轻量级锁

锁撤销升级为轻量级锁之后，那么对象的Markword也会进行相应的的变化。下面先简单描述下锁撤销之后，升级为轻量级锁的过程：

1. 线程在自己的栈桢中创建锁记录 LockRecord。
2. 将锁对象的对象头中的MarkWord复制到线程的刚刚创建的锁记录中。
3. 将锁记录中的Owner指针指向锁对象。
4. 将锁对象的对象头的MarkWord替换为指向锁记录的指针。

一句话总结,把锁对象的MarkWord存储在LockRecord中,然后互相用指针指向 (精彩!)
轻量级锁主要有两种

1. 自旋锁
2. 自适应自旋锁

自旋锁
所谓自旋，就是指当有另外一个线程来竞争锁时，这个线程会在原地循环等待，而不是把该线程给阻塞，直到那个获得锁的线程释放锁之后，这个线程就可以马上获得锁的。

注意，锁在原地循环的时候，是会消耗cpu的，就相当于在执行一个啥也没有的for循环。
所以，轻量级锁适用于那些同步代码块执行的很快的场景，这样，线程原地等待很短很短的时间就能够获得锁了。
经验表明，大部分同步代码块执行的时间都是很短很短的，也正是基于这个原因，才有了轻量级锁这么个东西。
自旋锁的一些问题
如果同步代码块执行的很慢，需要消耗大量的时间，那么这个时侯，其他线程在原地等待空消耗cpu，这会让人很难受。
本来一个线程把锁释放之后，当前线程是能够获得锁的，但是假如这个时候有好几个线程都在竞争这个锁的话，那么有可能当前线程会获取不到锁，还得原地等待继续空循环消耗cup，甚至有可能一直获取不到锁。

基于这个问题，我们必须给线程空循环设置一个次数，当线程超过了这个次数，我们就认为，继续使用自旋锁就不适合了，此时锁会再次膨胀，升级为重量级锁。

默认情况下，自旋的次数为10次，用户可以通过-XX:PreBlockSpin来进行更改。

自旋锁是在JDK1.4.2的时候引入的

自适应自旋锁
所谓自适应自旋锁就是线程空循环等待的自旋次数并非是固定的，而是会动态着根据实际情况来改变自旋等待的次数。

其大概原理是这样的：

假如一个线程1刚刚成功获得一个锁，当它把锁释放了之后，线程2获得该锁，并且线程2在运行的过程中，此时线程1又想来获得该锁了，但线程2还没有释放该锁，所以线程1只能自旋等待，但是虚拟机认为，由于线程1刚刚获得过该锁，那么虚拟机觉得线程1这次自旋也是很有可能能够再次成功获得该锁的，所以会延长线程1自旋的次数。
另外，如果对于某一个锁，一个线程自旋之后，很少成功获得该锁，那么以后这个线程要获取该锁时，是有可能直接忽略掉自旋过程，直接升级为重量级锁的，以免空循环等待浪费资源。

轻量级锁也被称为非阻塞同步、乐观锁，因为这个过程并没有把线程阻塞挂起，而是让线程空循环等待，串行执行。

重量级锁
轻量级锁膨胀之后，就升级为重量级锁了。重量级锁是依赖对象内部的monitor锁来实现的，而monitor又依赖操作系统的MutexLock(互斥锁)来实现的，所以重量级锁也被成为互斥锁。

当轻量级所经过锁撤销等步骤升级为重量级锁之后，它的Markword部分数据大体如下

bit fields	锁标志位
指向Mutex的指针	10

为什么说重量级锁开销大呢
主要是，当系统检查到锁是重量级锁之后，会把等待想要获得锁的线程进行阻塞，被阻塞的线程不会消耗cup。但是阻塞或者唤醒一个线程时，都需要操作系统来帮忙，这就需要从用户态转换到内核态，而转换状态是需要消耗很多时间的，有可能比用户执行代码的时间还要长。

这就是说为什么重量级线程开销很大的。

互斥锁(重量级锁)也称为阻塞同步、悲观锁

结论:

也就是说，synchronized关键字并非一开始就该对象加上重量级锁，也是从偏向锁，轻量级锁，再到重量级锁的过程。

这个过程也告诉我们，假如我们一开始就知道某个同步代码块的竞争很激烈、很慢的话，那么我们一开始就应该使用重量级锁了，从而省掉一些锁转换的开销。