1.Synchronized原理

在多线程并发编程中 synchronized 一直是元老级角色，很多人都会称呼它为重量级锁。但是，随着 Java SE 1.6 对synchronized 进行了各种优化之后，有些情况下它就并不那么重，Java SE 1.6 中为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗而引入的偏向锁和轻量级锁

锁的存储

JVM 源码实现

当我们在 Java 代码中，使用 new 创建一个对象实例的时候，（hotspot 虚拟机）JVM 层面实际上会创建一个instanceOopDesc 对象。
Hotspot 虚拟机采用 OOP-Klass 模型来描述 Java 对象实例，OOP(Ordinary Object Point)指的是普通对象指针，Klass 用来描述对象实例的具体类型。Hotspot 采用instanceOopDesc 和 arrayOopDesc 来 描述对象 头，arrayOopDesc 对象用来描述数组类型instanceOopDesc 的定义在 Hotspot 源 码 中 的instanceOop.hpp 文件中，另外，arrayOopDesc 的定义对应 arrayOop.hpp

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从 instanceOopDesc 代码中可以看到 instanceOopDesc继承自 oopDesc，oopDesc 的定义载 Hotspot 源码中的oop.hpp 文件中,在普通实例对象中，oopDesc 的定义包含两个成员，分别是 _mark 和 _metadata_mark 表示对象标记、属于 markOop 类型，也就是Mark World，它记录了对象和锁有关的信息_metadata 表示类元信息，类元信息存储的是对象指向它的类元数据(Klass)的首地址，其中 Klass 表示普通指针、_compressed_klass 表示压缩类指针

Mark World

在 Hotspot 中，markOop 的定义在 markOop.hpp 中

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Mark word 记录了对象和锁有关的信息，当某个对象被synchronized 关键字当成同步锁时，那么围绕这个锁的一系列操作都和 Mark word 有关系。Mark Word 在 32 位虚拟机的长度是 32bit、在 64 位虚拟机的长度是 64bit，Mark Word 里面存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。

Java 对象头

锁存在 Java 对象头里。如果对象是数组类型，则虚拟机用 3 个 Word（字宽）存储对象头，如果对象是非数组类型，则用 2 字宽存储对象头。在 32 位虚拟机中，一字宽等于四字节，即 32bit。

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Java 对象头里的 Mark Word 里默认存储对象的 HashCode，分代年龄和锁标记位。32 位 JVM 的 Mark Word 的默认存储结构如下：

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在运行期间 Mark Word 里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word 可能变化为存储以下 4 种数据：

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在 64 位虚拟机下，Mark Word 是 64bit 大小的，其存储结构如下：

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为什么任何对象都可以实现锁

1. 首先，Java 中的每个对象都派生自 Object 类，而每个Java Object 在 JVM 内部都有一个 native 的 C++对象oop/oopDesc 进行对应。

2. 线程在获取锁的时候，实际上就是获得一个监视器对象(monitor) ,monitor 可以认为是一个同步对象，所有的Java 对象是天生携带 monitor。在 hotspot 源码的markOop.hpp 文件中，可以看到下面这段代码。

   
   
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   多个线程访问同步代码块时，相当于去争抢对象监视器修改对象中的锁标识,上面的代码中ObjectMonitor这个对象和线程争抢锁的逻辑有密切的关系

锁升级

Java SE1.6 为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，所以在 Java SE1.6 里锁一共有四种状态，无锁状态，偏向锁状态，轻量级锁状态和重量级锁状态，它会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

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偏向锁

当一个线程访问加了同步锁的代码块时，会在对象头中存储当前线程的 ID，后续这个线程进入和退出这段加了同步锁的代码块时，不需要再次加锁和释放锁。而是直接比较对象头里面是否存储了指向当前线程的偏向锁。如果相等表示偏向锁是偏向于当前线程的，就不需要再尝试获得锁了

• 获取偏向锁

  1. 首先获取锁 对象的 Markword，判断是否处于可偏向状态。（biased_lock=1、且 ThreadId 为空）
  2. 如果是可偏向状态，则通过 CAS 操作，把当前线程的 ID写入到 MarkWord
     a) 如果 cas 成功，那么 markword 就会变成这样。表示已经获得了锁对象的偏向锁，接着执 行同步代码块
     b) 如果 cas 失败，说明有其他线程已经获得了偏向锁，这种情况说明当前锁存在竞争，需要撤销已获得偏向锁的线程，并且把它持有的锁升级为轻量级锁（这个操作需要等到全局安全点，也就是没有线程在执行字节码）才能执行
  3. 如果是已偏向状态，需要检查 markword 中存储的ThreadID 是否等于当前线程的 ThreadID
     a) 如果相等，不需要再次获得锁，可直接执行同步代码块
     b) 如果不相等，说明当前锁偏向于其他线程，需要撤销偏向锁并升级到轻量级锁

• 撤销偏向锁
  偏向锁的撤销并不是把对象恢复到无锁可偏向状态（因为偏向锁并不存在锁释放的概念），而是在获取偏向锁的过程中，发现 cas 失败也就是存在线程竞争时，直接把被偏向的锁对象升级到被加了轻量级锁的状态。

  对原持有偏向锁的线程进行撤销时，原获得偏向锁的线程有两种情况：

  1. 原获得偏向锁的线程如果已经退出了临界区，也就是同步代码块执行完了，那么这个时候会把对象头设置成无锁状态并且争抢锁的线程可以基于 CAS 重新偏向当前线程。
  2. 如果原获得偏向锁的线程的同步代码块还没执行完，处于临界区之内，这个时候会把原获得偏向锁的线程升级为轻量级锁后继续执行同步代码块。

在我们的应用开发中，绝大部分情况下一定会存在 2 个以上的线程竞争，那么如果开启偏向锁，反而会提升获取锁的资源消耗。所以可以通过 jvm 参数UseBiasedLocking 来设置开启或关闭偏向锁。

偏向锁的流程图分析

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轻量级锁

• 轻量级锁的加锁
  锁升级为轻量级锁之后，对象的 Markword 也会进行相应的的变化。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。

     
     
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• 自旋锁
  轻量级锁在加锁过程中，用到了自旋锁
  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，线程原地等待很短的时间就能够获得锁了。

自旋锁的使用，其实也是有一定的概率背景，在大部分同步代码块执行的时间都是很短的。所以通过看似无异议的循环反而能提升锁的性能。但是自旋必须要有一定的条件控制，否则如果一个线程执行同步代码块的时间很长，那么这个线程不断的循环反而会消耗 CPU 资源。默认情况下自旋的次数是 10 次，可以通过 preBlockSpin 来修改。
在 JDK1.6 之后，引入了自适应自旋锁，自适应意味着自旋的次数不是固定不变的，而是根据前一次在同一个锁上自旋的时间以及锁的拥有者的状态来决定。
如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也是很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后尝试获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，直接阻塞线程，避免浪费处理器资源

• 轻量级锁的解锁
  轻量级锁的锁释放逻辑其实就是获得锁的逆向逻辑，通过CAS 操作把线程栈帧中的 LockRecord 替换回到锁对象的MarkWord 中，如果成功表示没有竞争。如果失败，表示当前锁存在竞争，那么轻量级锁就会膨胀成为重量级锁

轻量级锁的流程图分析

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重量级锁

当轻量级锁膨胀到重量级锁之后，意味着线程只能被挂起阻塞来等待被唤醒了。
重量锁在JVM中又叫对象监视器（Monitor），它很像C中的Mutex，除了具备Mutex(0|1)互斥的功能，它还负责实现了Semaphore(信号量)的功能，也就是说它至少包含一个竞争锁的队列，和一个信号阻塞队列（wait队列），前者负责做互斥，后一个用于做线程同步.

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加了同步代码块以后，在字节码中会看到一个monitorenter 和 monitorexit。
每一个 JAVA 对象都会与一个监视器 monitor 关联，我们可以把它理解成为一把锁，当一个线程想要执行一段被synchronized 修饰的同步方法或者代码块时，该线程得先获取到 synchronized 修饰的对象对应的 monitor。
monitorenter 表示去获得一个对象监视器。monitorexit 表示释放 monitor 监视器的所有权，使得其他被阻塞的线程可以尝试去获得这个监视器
monitor 依赖操作系统的 MutexLock(互斥锁)来实现的, 线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响锁的性能

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——学自咕泡学院