Java6对synchronized的优化-锁升级过程详细过程

前言

以前我们在复习synchronized的时候，和lock一对比，总说它是一个重量级锁，性能很差，不如lock来的方便，但其实synchronized作为Java中元老级的关键字，很多jdk原始代码都有用到它，因此Java开发团队还是非常中意这个“私生子”的，所以为了给它减重，开发者也早在Java6就为synchronized专门设计了一套优化处理过程。

一、synchronized使用

1. 加到方法上，锁就是这个对象，防止多个线程同时访问这个对象的synchronized方法；
2. 加到静态方法，锁就是这个类的class对象，防止多个线程同时访问这个类的synchronized方法，对该类所有对象适用；
3. 加到代码块，锁就是该代码块所在的对象，防止多个线程同时访问该代码块；

二、JVM对synchronized的实现方式

1. 代码块同步：通过使用 monitorenter 和 monitorexit 指令实现的
2. 同步方法：ACC_SYNCHRONIZED 修饰

三、Java对象头（存储锁类型）

了解锁升级之前，必须先知道Java对象头，正式对象头记录的信息才实现了锁升级过程中的线程判断。

Java对象：

Java对象头：包含两部分：MarkWord 和 类型指针

MarkWord：Mark Word 用于存储对象自身的运行时数据，如 HashCode、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID等等。

占用内存大小与虚拟机位长一致（32位JVM -> MarkWord是32位，64位JVM -> MarkWord是64位）

四、锁升级过程

无锁状态 -> 偏向锁 -> 轻量级锁（自旋锁，自适应自旋） -> 重量级锁

各种锁状态下mark word的内容：

状态	偏向锁位	标志位	存储内容
未锁定	0	01	对象哈希码、对象分代年龄
偏向锁	1	01	偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄
轻量级锁定	0	00	指向锁记录的指针
膨胀(重量级锁定)	0	10	执行重量级锁定的指针
GC标记	0	11	空(不需要记录信息)

无锁状态 -> 偏向锁

首先当处于无锁状态时，MarkWord中存储的是对象的hash code等信息，偏向锁为0，此时线程1进入，发现没有记录线程ID信息，则直接CAS操作将自己的线程ID设置进去，设置成功则获取到偏向锁，偏向锁标志为改为1；失败则要升级为轻量级锁；

线程1执行完后，将markWord中的线程ID设置为空，即释放偏向锁；

如果在线程1释放之前，此时线程2进入，先查markWord中记录的线程ID是否是自己的（这也是偏向锁适用的场景：经验表明，大多数情况下，都是同一个线程进入同一个同步代码块），若是，则获取锁成功；

不是，则说明已经偏向给了其他线程，即出现了线程竞争的情况，此时一般情况下，偏向锁是不可以重偏向的，所以需要升级，如果是可以重偏向的，则会尝试CAS操作替换markWord中的线程id，成功则偏向给线程2，失败则进行锁升级；

偏向锁在升级前，需要先将偏向锁撤销。

如果此时已经偏向给了某个线程，则需要根据markWord中记录的线程id查询该线程是否存活，不存活，则进入无锁状态，或者可重偏向状态，存活则撤销偏向锁，将锁对象的markWord复制到线程栈中，开始升级

偏向锁 -> 轻量级锁

出现两个及以上线程竞争时（已经偏向给了一个线程，此时又出现了另外一个线程竞争，即升级），开始升级为轻量级锁。

加锁时，线程会在自己的栈帧中创建一个Lock Record锁记录（会将对象原来的markWord内容复制过来，作为一个lockRecord，包含对象分代年龄等信息，而原来的markWord只会有一个指针），同时CAS将锁对象的markWord中替换为指向该lockRrecord的指针，操作成功则获取到轻量级锁；

线程执行完，解锁时，只需要移除栈帧中的lockRecord即可，而不用修改markWord中的内容。

轻量级锁 -> 重量级锁

设置失败，则证明有竞争，此时会进入自旋状态。

线程超过10次自旋， 或者自旋线程数超过CPU核数的一半，（JDK1.6之后，加入自适应自旋 Adapative Self Spinning ， JVM自己控制）。就会升级为重量级锁。

升级重量级锁：

向操作系统申请资源，CPU从3级-0级系统调用，线程挂起，进入等待队列，等待操作系统的调度，然后再映射回用户空间

所以升级为重量级锁后，用户线程被系统线程挂起，需要从用户态到内核态的转换。这也是最开始说synchronized重，性能差的原因！

总结：

1. synchronized锁升级过程是单向的，不可逆；
2. 升级过程围绕锁对象中markWord的内容变化；
3. 每种锁都适应不同的场景，比如偏向锁适用于同一个线程多次进入同步代码的情况，轻量级锁适用竞争小，且同步执行时间短（自旋一会儿就能获取到锁）的情况
4. 对了，synchronized是可重入的，这点不光可以从偏向锁看出来，即使升级到重量级锁，也是支持的