16 synchronized底层如何实现，锁的升级、降级及其他锁

synchronized底层如何实现，锁的升级、降级及其他锁

• synchronized是java实现同步的关键字，使用monitorenter/monitorexit指令实现；现代JVM提供了三种不同的monitor实现，即：偏斜锁、轻量级锁、重量级锁；在JVM检测到不同的竞争状态时会切换到不同的锁实现，这种优化synchronized运行的过程就叫做锁的升级、降级；
• 当没有竞争出现时，默认使用偏斜锁，JVM使用CAS操作在对象头的MarkWord部分设置线程ID，表示当前对象偏向某个线程；并不涉及真正的互斥锁；这样做的原因在于，在很多场景中，大部分对象生命周期内最多会被一个线程锁定，使用偏斜锁可以降低无竞争开销；
• 如果有别的线程试图获取某一个已经偏斜的对象，JVM就需要撤销偏斜锁，并切换到轻量级锁实现。轻量级锁同样使用CAS操作对象头的MarkWord实现，如果成功则获取轻量级锁，否则膨胀为重量级所；
• 锁也存在降级，JVM在进入安全点时，会检查是否有闲置的monitor并试图降级；

对象头：

普通对象对象头分两部分，每个部分在的32位虚拟机上占用32bit，64位虚拟机上占用64bit；

1. MarkWord：后面重点介绍；
2. Class Metadata：指向该对象类信息的指针；

数组类型则多了一个标记的数组大小的部分，这部分在32位虚拟机上是占用32位，在64位虚拟机上的占用空间是否是64bit则需要再查询资料确定；

3. array length:记录数组长度；

MarkWord：

• MarkWord用来记录对象的运行时数据，如HashCode、GC分代年龄、锁标志等，需要记录的信息超过了32位、64位所能记录的信息，但考虑到该部分是与对象数据无关的额外空间占用，所以根据对象的状态复用存储空间以提高空间利用率；

    |-------------------------------------------------------|--------------------|
    |                  Mark Word (32 bits)                  |       State        |
    |-------------------------------------------------------|--------------------|
    | identity_hashcode:25 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |       Normal       |
    |-------------------------------------------------------|--------------------|
    |  thread:23 | epoch:2 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |       Biased       |
    |-------------------------------------------------------|--------------------|
    |               ptr_to_lock_record:30          | lock:2 | Lightweight Locked |
    |-------------------------------------------------------|--------------------|
    |               ptr_to_heavyweight_monitor:30  | lock:2 | Heavyweight Locked |
    |-------------------------------------------------------|--------------------|
    |                                              | lock:2 |    Marked for GC   |
    |-------------------------------------------------------|--------------------|
  
  
  
    |------------------------------------------------------------------------------|--------------------|
    |                                  Mark Word (64 bits)                         |       State        |
    |------------------------------------------------------------------------------|--------------------|
    | unused:25 | identity_hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |       Normal       |
    |------------------------------------------------------------------------------|--------------------|
    | thread:54 |       epoch:2        | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |       Biased       |
    |------------------------------------------------------------------------------|--------------------|
    |                       ptr_to_lock_record:62                         | lock:2 | Lightweight Locked |
    |------------------------------------------------------------------------------|--------------------|
    |                     ptr_to_heavyweight_monitor:62                   | lock:2 | Heavyweight Locked |
    |------------------------------------------------------------------------------|--------------------|
    |                                                                     | lock:2 |    Marked for GC   |
    |------------------------------------------------------------------------------|--------------------|
  

biased_lock 1bit、lock的2bit位含义：

上表中的不同的state则是使用biased_lock 1bit和lock的2bit来进行标识的：

biased_lock：0 lock：01； 正常状态；

biased_lock：1 lock：01； 可偏向状态；

lock：00；轻量级锁；

lock：10；重量级锁；

lock：11；GC标记；

开启偏斜锁

-XX:+UseBiasedLocking:开启偏向锁
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0,立即开启，因为默认偏向锁的开启时在虚拟机运行后延时5秒

锁的升级、降级：

偏向锁-无锁：

• 这里比较有疑问的是正常状态和可偏向状态，有一种观点认为：对象一开始可能出于可偏向状态并非正常状态，此时线程指针为0，称为匿名偏向状态，调用Object的hashCode函数或者System.identityHashCode（Object o）函数，他们是等价的，则会计算identity_hashcode并将其存放至对应的MarkWord部分，对象变为正常状态，一旦存放了identity_hashcode，那么该对象将不再允许偏斜，biased_lock会被设置为0，之后该对象将不会在进入偏向状态；
• 如果在计算hashcode时，该对象不是匿名偏向状态，而是偏向状态，则会直接膨胀为重量级锁；
• 如果没有线程竞争，非匿名偏向锁偏向锁释放后会变回匿名偏向锁状态；
• 正常状态下的对象被获取锁时，会直接进入轻量级锁；

锁升级-轻量级锁-重量级锁；

• 当别的线程试图获取一个已经偏斜的对象时，将会膨胀为轻量级锁，由持有锁的线程在安全点进行，轻量级锁会创建一个LockRecord在当前持有者线程的线程栈中，LockRecord包含一个owner，指向锁对象，锁对象MarkWord也会保存该LockRecord的指针；LockRecord还将保持对象之前的MarkWord内容；
• 升级为轻量级锁后，竞争线程将在一段时间内自旋，尝试获取锁，如果失败，则将MarkWord中lock标志设置为10并进入阻塞状态；

• 持有锁的线程在释放锁时会检查MarkWord是否变化，无变化则释放轻量级锁，将MarkWord替换回去；如果MarkWord变化了，则证明已经升级为重量级锁，线程需要将锁升级为重量级锁，并唤醒阻塞的线程；
  锁获取流程图：

  
  
  锁获取流程.png

concurrent包下的其他锁

• Lock：接口，典型的实现类为ReentrantLock
• ReadWriteLock：接口，典型实现ReentrantReadWriteLock，其逻辑在于并发读之间是不需要互斥的，在应用的并发读多并发写少时，可以考虑使用，因为其本身的复杂性，开销要比lock高；
• StampedLock：类，在提供类似读写锁的同时，还支持优化读模式。优化读基于假设，大多数情况下读操作并不会和写操作冲突，其逻辑是先试着读，然后通过 validate 方法确认是否进入了写模式，如果没有进入，就成功避免了开销；如果进入，则尝试获取读锁；

StampedLock使用示例：

public class StampedSample {
  private final StampedLock sl = new StampedLock();

  void mutate() {
      long stamp = sl.writeLock();
      try {
          write();
      } finally {
          sl.unlockWrite(stamp);
      }
  }

  Data access() {
      long stamp = sl.tryOptimisticRead();
      Data data = read();
      if (!sl.validate(stamp)) {
          stamp = sl.readLock();
          try {
              data = read();
          } finally {
              sl.unlockRead(stamp);
          }
      }
      return data;
  }
  // …
}