【JavaSE】Synchronized实现原理

我们通常来使用synchronized来保证原子性，保证线程的安全。

但其实synchronized的底层是由一对monitorenter/monitorexit指令实现，每一个对象都有一个监视器（monitor），而synchronized是通过对象内部叫监听器（monitor）的来实现的。线程通过monitorenter来获取monitor的所有权，当monitor被占用时，就会产生锁定状态。

获取monitor的过程：

首先，如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，monitor的进入数设置为1，该线程为monitor的所有者，该线程获取锁。

如果，该线程已经持有了monitor，只是重新进入，则monitor的进入数+1。

如果，monitor的进入数不为0，则说明其他线程已经占有了monitor，该线程处于堵塞状态，直到monitor的进入数为0，尝试获取monitor的所有权。

在java 6之前，synchronized的实现完全依靠操作系统内部的互斥锁，因为需要进行用户态到内核的切换，所有同步锁操作是一个无差别的重量级操作，非常的消耗系统资源。

所以在java 6之后，提供了三种不同的monitor的实现，分别是三种不同的锁：偏向锁、轻量级锁、重量级锁。

偏向锁

    偏向锁是为了在单线程（没有出现多个线程并发）执行情况下，尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，该线程在后续访问时便会自动获得锁，从而降低获取锁带来的消耗，即提高性能。因为轻量级锁的加锁与释放锁，也需要多次执行CAS原子指令。而偏向锁只需要在切换线程设置ThreadID的时候，执行一次CAS原子指令。所以，偏向锁的作用是在只有一个线程执行同步块时，进一步提高性能。
        当没有线程并发出现时，默认会使用偏斜锁。JVM会利用CAS操作（compare and swap），在对象头上的Mark Word部分设置线程ID，以表示这个对象偏向于当前线程，所以并不涉及真正的互斥锁。这样做的假设是基于在很多应用场景中，大部分对象生命周期中最多会被一个线程锁定，使用偏斜锁可以降低无竞争开销。
        如果有另外的线程试图锁定某个已经被偏斜过的对象，JVM就需要撤销（revoke）偏斜锁，并切换到轻量级锁实现。轻量级锁依赖CAS操作Mark Word来试图获取锁，如果重试成功，就使用普通的轻量级锁；否则，进一步升级为重量级锁。

轻量级锁

        根据轻量级锁的实现，虽然轻量级锁不支持“并发”，遇到“并发”就要升级为重量级锁。但是轻量级锁可以支持多个线程以串行的方式访问同一个加锁对象。但是，每次执行，都消耗了重复的加锁与解锁的性能开销。
        例如：A线程可以先获取对象obj的轻量锁，然后A线程释放了锁，这个时候B线程来获取obj的轻量锁，可以成功获取obj的轻量锁。其余线程对这个obj轻量锁的获取，也以这种方式可以一直串行下去。之所以能实现这种串行，是因为有一个释放锁的动作。
        轻量级锁与偏向锁的区别：假设有一个加锁的方法，这个方法在运行的时候，并没有出现并发的情况，从始至终只有一个线程在调用，如果使用轻量级锁，每次调用完也要释放锁，下次调用还要重新获得锁。
        锁的状态，保存在对象头中。在Hotspot虚拟机中，一个JAVA对象的存储结构，在内存中的存储布局分为 3 块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

• lock标志位：2位二进制，锁状态标记位。
• ageJava对象年龄：在GC中，如果对象在Survivor区复制一次，年龄增加1。当对象达到设定的阈值时，将会晋升到老年代。
• thread：持有偏向锁的线程ID。
• ptr_to_lock_record：指向栈中锁记录的指针。

轻量级锁的加锁过程 

1、在代码进入同步块的时候，如果对象锁状态为无锁状态（lock标志位 "01"，biased_lock标志位 "0"），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，官方命名为Displaced Mark Word。

2、拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录（Lock Record）中。

3、拷贝成功后，虚拟机将尝试将对象的Mark Word中的ptr_to_lock_record更新为指向Lock Record的指针，并将Lock record里的owner指针指向到对象的Mark Word。如果更新成功，则执行步骤4，否则执行步骤5。

4、如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的lock标志位设置为 "00"，即表示此对象处于轻量级锁定状态。

5、如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否已经指向当前线程的栈帧。如果是，就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行。否则说明多个线程竞争该对象的锁，轻量级锁就要升级为重量级锁，lock标志位的状态值变为 "10"，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。 当前线程便尝试使用自旋来获取锁，自旋就是为了不让线程阻塞，而采用循环去获取锁的过程。

轻量级锁的解锁过程

1、通过CAS指令，尝试把线程中复制的Displaced Mark Word对象替换当前的Mark Word。

2、如果替换成功，整个同步过程就完成了。

3、如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁，该锁已升级为重量级锁，那就要在释放锁的同时，通知其它线程重新参与锁的竞争。

重量级锁 

        依赖于操作系统互斥锁（Mutex Lock）所实现的锁。操作系统的互斥锁实现线程之间的切换，需要从用户态转换到核心态，切换成本非常高，状态之间的转换需要相对比较长的时间，这是早期Synchronized效率低的原因。因此，这种依赖于操作系统互斥锁（Mutex Lock）所实现的锁，称之为“重量级锁”。
        用户态和核心态，代表两种不同的CPU状态。内核态（Kernel Mode）用于运行操作系统程序，用户态（User Mode）用于运行用户程序。