synchronized的实现原理和应用
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javaSE1.6对synchronized进行了各种优化之后，有些情况下它就并不那么重要了。本文介绍javaSE1.6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，以及锁的存储结构和升级过程。
先来看下利用synchronized实现同步的基础：java中的每一个对象都可以作为锁。具体表现为以下三种表现形式。
对于普通同步方法，锁是当前实例对象。
对于静态同步方法，锁是当前类的Class对象。
对于同步方法块，锁是synchronized括号里配置的对象。
当一个线程试图访问同步代码块时，它首先必须得到锁，推出或抛出异常时必须释放锁。那么锁到底存在哪里呢？所里面存储什么信息呢？
从JVM规范中可以看出synchronized在JVM里的实现原理，JVM基于进入和退出monitor对象来实现方法同步和代码块同步，但两者的实现细节不一样。代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现的，而方法同步是使用另为一种方法实现的，细节在JVM规范里并没有详细说明。但是，方法的同步同样可以使用这两个指令来实现。
Monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块发的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处，JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。任何对象都有一个monitor与之关联，当且一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor的所以权，即尝试获得对象的锁。
一、java对象头
Synchronized用的锁匙存在java对象头里的。如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字宽存储对象头，如果对象是非数组类型，则用2字宽存储对象头。在32为虚拟机中，1字宽等于4字节，即32bit。
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：
锁状态 | 25bit | 4bit | 1bit是否是偏向锁 | 2bit锁标志位 |
无锁状态 | 对象的hashCode | 对象分代年龄 | 0 | 01 |
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：
锁状态 | 25bit | 4bit | 1bit | 2bit | |
23bit | 2bit | 是否是偏向锁 | 锁标志位 | ||
轻量级锁 | 指向栈中锁记录的指针 | 00 | |||
重量级锁 | 指向互斥量（重量级锁）的指针 | 10 | |||
GC标记 | 空 | 11 | |||
偏向锁 | 线程ID | Epoch | 对象分代年龄 | 1 | 01 |
在64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的，其存储结构如下：
锁状态 | 25bit | 31bit | 1bit | 4bit | 1bit | 2bit |
Cms_free | 分代年龄 | 偏向锁 | 锁标志位 | |||
无锁 | Unused | hashCode | 0 | 01 | ||
偏向锁 | ThreadID（54bit）Epoch(2bit) | 1 | 01 |
二、锁的升级与对比
JavaSE1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向谁”和“轻量级锁”，在JavaSE1.6中，锁一共有四种状态，级别从低级到高级依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态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偏向锁后不能降级为偏向锁。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。
1.偏向锁
HotSpot的作者经过研究发现，大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需要简单测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁额标示是否设置成1（表示当前是偏向锁）：如果没有设置，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。
（1）偏向锁的撤销
偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有正在执行的字节码）。它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态；如果线程任然活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。下图中线程1演示了偏向锁初始化的流程，线程2演示了偏向锁撤销的流程。
（2）关闭偏向锁
偏向锁在Java6和Java7里是默认启用的，但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活，如有必要可以使用JVM参数来关闭延迟：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。如果你确定应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态，可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，那么程序默认会进入轻量级锁状态。
2.轻量级锁
（1）轻量级锁加锁
线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displacd Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。
（2）轻量级锁解锁
轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁从在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。下图，是两个线程同时竞争锁，导致膨胀的流程图。
因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋（比如获得锁的线程被阻塞猪了），一旦锁升级成重量级锁，就不会恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下，其他线程试图获取锁时，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。
3.锁的优缺点对比
锁 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
偏向锁 | 加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级差别 | 如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗 | 适用于只有一个线程访问同步块场景 |
轻量级锁 | 竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度 | 如果始终得不到锁竞争的线程，使用自旋会消耗CPU | 追求响应时间，同步块执行速度非常快 |
重量级锁 | 线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU | 线程阻塞响应时间缓慢 | 追求吞吐量，同步块执行速度较长 |
出自《Java并发编程的艺术》
微信公众号：it_haha