synchronized实现原理和锁优化

1. ObjectMonitor

在HotSpot中，Monitor采用ObjectMonitor实现。

Monitor是一个同步工具，通常被描述为一个对象。每一个Java对象都拥有一把看不见的Monitor锁。
Java中每个对象都拥有的监视器用来监测并发代码的重入，在非多线程编码时Monitor监视器不起作用，在synchronized范围内，监视器发挥作用。

ObjectMonitor的结构

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; //记录个数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
   //指向持有ObjectMonitor对象的线程
    _owner        = NULL;
   //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSet      = NULL; 
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
    _EntryList    = NULL ; 
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

2.synchronized实现原理

synchronized在软件层面依赖JVM虚拟机实现同步；JUC包中的Lock同步锁在硬件层面依赖特殊的CPU指令实现同步。

synchronized通过Monitor来实现线程同步，Monitor依赖于底层的操作系统的Mutex Lock(互斥锁)来实现的线程同步。
依赖底层操作系统的Mutex Lock所实现的锁称之为重量级锁。

同步代码块的同步原理
synchronized同步代码块代码生成的字节码指令中包含monitorenter和monitorexit指令。
monitorenter指令：执行该指令时可以尝试去获取对象的monitor锁。当获得monitor时就会处于锁定状态，就可以去执行同步代码块。
monitorexit指令：执行该指令会退出同步代码块并释放锁。执行该指令的线程是monitor的占有者。

异常退出同步代码块时会释放锁，也会调用该指令。

同步方法的同步原理
同步方法的字节码指令中没有monitorenter和monitorexit指令，是通过方法修饰符上的ACC_SYNCHRONIZED标识符来实现方法的同步。

同步方法是一种隐式的方式实现同步，不需要字节码指令来完成。
同步代码块中monitorenter和monitorexit指令的执行是JVM通过调用操作系统的互斥语句mutex实现的，被阻塞的线程会被挂起、等待重新调度，会导致在用户态和内核态切换。

3. Java对象的对象头

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中的存储的布局可以分为3块区域：对象头、实例数据、对齐填充。

Java对象头
对象头包括两部分信息：Mark Word和类型指针。
Mark Word是实现轻量级锁和偏向锁的关键。

类型指针：指向对象的类元数据的指针。
Mark Word：用于存储对象自身的运行时数据，是实现轻量级锁和偏向锁的关键。
包括哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳。
是一个非固定的数据结构用以方便在小的空间存储更多的信息。
会根据对象的状态复用自己的存储空间，就是说在运行期间Mark Work里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。

不同状态下Mark Word的结构

4. Lock Record --锁记录

Lock Record(锁记录)：在线程的栈中创建，用来存储锁对象的Mark Word的拷贝。
是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用的Lock Record列表。
每一个被锁住的对象都会和一个Lock Record关联，对象头中的Mark Word指向Lock Record的起始地址，。

LockRecord的结构如下图

Lock Record的结构.png

Owner：当线程成功获得锁后存放线程的唯一标识。
EnterQ：关联一个互斥锁，阻塞所有竞争锁失败的线程。
RcThis：表示在该线程获得的锁上blocked或waiting的所有线程的个数。
Nest：重入锁的计数。
HashCode：保存从对象头拷贝过来的HashCode值(可能包含GC age)。
Candidate：只有两种值：0或1，表示没有需要唤醒的线程或表示要唤醒一个线程去竞争锁。

5. 对synchronized实现机制进行的锁优化

依赖操作系统Mutex Lock所实现的重量级锁在线程切换时会导致在用户态和内核态之间切换，会导致很大的开销。
JDK6之后，引入了偏向锁和轻量级锁来减少锁操作的开销。
目前锁一共有4种状态，级别从低到高依次为：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁；锁状态只能升级不能降级。
偏向锁、轻量级锁属于乐观锁，重量级锁属于悲观锁。乐观锁CAS的实现同步，获取不到时会转换为悲观锁。

无锁
没有对资源进行锁定，所有线程都可以访问并修改同一个资源，但只有一个线程可以修改成功。
特点：修改操作在循环中进行。
CAS原理及应用即是无锁的实现。

偏向锁
偏向于第一个访问锁的线程，如果在运行过程中，锁没有被其他线程访问，持有偏向锁的线程永远不会触发同步。
偏向锁就是为了解决在不存在多线程竞争时，锁总是由同一个线程多次获得的情况。目的是在只有一个线程执行同步代码块时可以提高性能。

加锁过程：
a.加锁发生在锁第一次被线程拥有时，会使用CAS原子操作尝试更新对象的Mark Word，将Mark Word中的偏向锁标志位改为1，并记录偏向线程的ID。
之后在对象头中的偏向线程ID指向的线程进入和退出相同锁对象的同步代码块时不用通过CAS操作来更新对象头。
撤销和膨胀过程：
b.另一个竞争线程想要进入同步代码块时，访问到Mark Word中偏向锁标志为1，确认是可偏向状态；同时检查到对象头中的偏向线程ID与该竞争线程不一致，竞争线程尝试进行CAS操作更新对象头。
c.竞争线程更新对象头失败时，等待持有偏向锁线程进入安全点(会导致STW)并暂停持有偏向锁的线程，根据偏向锁线程是否处于同步代码块，处于同步代码块时将偏向锁升级为轻量级锁；已经退出同步代码块时，将锁置为无锁状态。
d.竞争线程更新对象头成功时，直接进入同步代码块。

偏向锁加锁撤销锁流程图：

偏向锁.png

适合在无锁竞争情况下使用，撤销偏向锁时会导致stop the world。

问题：为什么在到达全局安全点时才会进行偏向锁的释放？
与Epoch有关。

轻量级锁
轻量级锁是为了在线程交替执行同步代码块时提高性能，偏向锁是在只有一个线程执行同步块时提高性能。
轻量级锁与偏向锁的不同：轻量级锁每次退出同步代码块都要释放锁，偏向锁只有在竞争发生时才会释放锁。

加锁过程：
a.线程进入同步代码块时确定对象锁状态：即对象锁状态是无锁状态：对象头中Mark Word中的锁标志位为：“01”状态，偏向锁标志位为：“0”。
b.确定对象锁的对象头为无锁状态后，在当前线程的栈帧中创建锁记录(Lock Record)空间，将锁对象对象头中的Mark Word复制到锁记录中。
c.Mark Word保存到锁记录成功后，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锁记录里的owner指向对象的Mark Word。
CAS操作成功了：线程就拥有了对象的锁可以去执行同步代码块，并会将对象的锁标志设置为：“00”，即为轻量级锁。
CAS操作失败了：先检查对象头Mark Word的指针有没有指向当前线程的锁记录Lock Record，指向了说明当前线程已经获得了锁，本次加锁是重入锁，当前线程可以直接进入同步块继续执行；否则线程会进入自旋状态，不断尝试去获取锁。

• 轻量级锁每次进入与退出同步块时都要通过CAS操作更新对象头。

锁释放过程：
d.线程退出同步代码块并释放锁是通过CAS操作来完成的，会用CAS操作将对象头中的Mark Word中记录的锁对象的指针替换为锁记录中复制的Mark Word。
CAS操作成功：同步操作完成，对象头设置为无锁状态(偏向锁为：“0”，锁标志位为：“01”)。
CAS操作失败：此时持有轻量级锁的线程会将锁释放，唤醒阻塞的线程。
CAS操作失败的原因：是因为没有得到锁的线程在超过了自旋次数还没有获得锁，进入阻塞状态，并将对象头的锁标志更改为：“10”(重量级锁)，Mark Word中存储的是指向指向重量级锁的指针(互斥量)。

获得和释放轻量级锁的过程图如下：

获得和释放轻量级锁的过程图.png

问题1：为什么在升级为轻量级锁时要把对象头里的Mark Word复制到线程栈的锁记录中？
在获得锁时：会将Mark Word值作为CAS比较的条件(CAS操作的三个值中的当前值)。只有锁记录复制的Mark Word值与对象锁的对象头中的Mark Word相等时，才会将对象头中的Mark Word中的内容替换为指向锁记录的指针，才可以获得锁。
在释放锁时：通过该Mark Word可以判定是否在持有锁的过程中该对象锁被其他线程申请过，如果被申请过，则在释放锁的过程中唤醒被挂起的线程。

问题2：为什么会尝试CAS不成功以及什么情况下会不成功？

重量级锁
如果在存在同一时间访问同一锁，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

对象锁升级为重量级锁时，锁标志的状态值变为"10"，Mark Word中存储的是指向重量级锁的指针(指针指向的是Monitor对象的起始地址)，此时等待锁的线程都会进入阻塞状态。

重量级锁通过对象内部的monitor监视器锁来实现。监视器锁是依赖于底层操作系统的Mutex Lock(互斥锁)来实现。

总结：偏向锁是通过对比Mark Word解决加锁问题，避免多次执行CAS操作；轻量级锁通过CAS操作和自旋解决加锁问题，避免线程阻塞和唤醒而影响性能；重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞。

6. 对synchronized实现机制进行的其他调整

锁消除
在进行同步控制时，JVM检测到不可能存在共享数据竞争，JVM就会对同步锁进行锁清除。
锁清除的依据是：逃逸分析的数据支持。

锁粗化
将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起，扩展成一个范围更大的锁。