工作中經常遇到需要用鎖來控制并發的問題，java中提供一個鎖神器關鍵字-Synchronized。通過它可以來解決多線程問題。與Java中另一個Lock鎖相比，之前一直覺得Synchronized是重量級的鎖，很耗性能，真的是這樣嗎？

Synchronized的實現原理

synchronized可以保證方法或者代碼塊在運行時，同一時刻只有一個方法可以進入到臨界區，同時它還可以保證共享變量的內存可見性

同步的基礎

Java中每一個對象都可以作為鎖，這是synchronized實現同步的基礎：

• 普通同步方法，鎖是當前實例對象
• 靜態同步方法，鎖是當前類的class對象
• 同步方法塊，鎖是括號里面的對象

當一個線程訪問同步代碼塊時，它首先是需要得到鎖才能執行同步代碼，當退出或者拋出異常時必須要釋放鎖，那么它是如何來實現這個機制的呢？我們先看一段簡單的代碼：

public class SynchronizedTest {

public synchronized void test1() {
    //do something
}

public void test2() {
    synchronized (this) {
        //do something 
    }
}

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同步的原理

???JVM規范規定JVM基于進入和退出Monitor對象來實現方法同步和代碼塊同步，但兩者的實現細節不一樣。代碼塊同步是使用monitorenter和monitorexit指令實現，而方法同步是使用另外一種方式實現的，細節在JVM規范里并沒有詳細說明，而是在Class文件的方法表中將該方法的access_flags字段中的synchronized標志位置1，表示該方法是同步方法并使用調用該方法的對象或該方法所屬的Class在JVM的內部對象表示Class做為鎖對象。

???monitorenter指令是在編譯后插入到同步代碼塊的開始位置，而monitorexit是插入到方法結束處和異常處， JVM要保證每個monitorenter必須有對應的monitorexit與之配對。任何對象都有一個 monitor 與之關聯，當且一個monitor 被持有后，它將處于鎖定狀態。線程執行到 monitorenter 指令時，將會嘗試獲取對象所對應的 monitor 的所有權，即嘗試獲得對象的鎖。

???在虛擬機規范的要求，在執行monitorenter指令時，首先嘗試獲取對象的鎖，如果這個對象沒有被鎖，或者當前線程已經擁有這個對象的鎖，把鎖的計數器加1，相應的，在執行monitorexit指令時會將計數器減1，當計數器為0是，鎖被釋放。如果獲取對象的鎖失敗，那當前線程就要阻塞等待，直到對象鎖被另外一個線程釋放為止。

???在虛擬機規范對monitorenter和monitorexit的行為描述中，有兩點需要特別注意的。首先，synchronized同步塊對同一個線程來說是可重入的，不會出現自己把自己死鎖的問題。其次，同步塊在已進入的線程執行完之前，會阻塞后面其他線程的進入

Java對象頭

鎖存在Java對象頭里。如果對象是數組類型，則虛擬機用3個Word（字寬）存儲對象頭，如果對象是非數組類型，則用2字寬存儲對象頭。在32位虛擬機中，一字寬等于四字節，即32bit。

Java對象頭里的Mark Word里默認存儲對象的HashCode，分代年齡和鎖標記位。32位JVM的Mark Word的默認存儲結構如下：

在運行期間Mark Word里存儲的數據會隨著鎖標志位的變化而變化。Mark Word可能變化為存儲以下4種數據：

image.png

在64位虛擬機下，Mark Word是64bit大小的，其存儲結構如下：

image.png

Monitor

???什么是Monitor？我們可以把它理解為一個同步工具，也可以描述為一種同步機制，它通常被描述為一個對象。

???與一切皆對象一樣，所有的Java對象是天生的Monitor，每一個Java對象都有成為Monitor的潛質，因為在Java的設計中 ，每一個Java對象自打娘胎里出來就帶了一把看不見的鎖，它叫做內部鎖或者Monitor鎖。
Monitor 是線程私有的數據結構，每一個線程都有一個可用monitor record列表，同時還有一個全局的可用列表。每一個被鎖住的對象都會和一個monitor關聯（對象頭的MarkWord中的LockWord指向monitor的起始地址），同時monitor中有一個Owner字段存放擁有該鎖的線程的唯一標識，表示該鎖被這個線程占用。其結構如下：

image.png

• Owner：初始時為NULL表示當前沒有任何線程擁有該monitor record，當線程成功擁有該鎖后保存線程唯一標識，當鎖被釋放時又設置為NULL；
• EntryQ:關聯一個系統互斥鎖（semaphore），阻塞所有試圖鎖住monitor record失敗的線程。
• RcThis:表示blocked或waiting在該monitor record上的所有線程的個數。
• Nest:用來實現重入鎖的計數。
• HashCode:保存從對象頭拷貝過來的HashCode值（可能還包含GC age）。
• Candidate:用來避免不必要的阻塞或等待線程喚醒，因為每一次只有一個線程能夠成功擁有鎖，如果每次前一個釋放鎖的線程喚醒所有正在阻塞或等待的線程，會引起不必要的上下文切換（從阻塞到就緒然后因為競爭鎖失敗又被阻塞）從而導致性能嚴重下降。Candidate只有兩種可能的值0表示沒有需要喚醒的線程1表示要喚醒一個繼任線程來競爭鎖。

鎖性能優化

自旋鎖與自適應自旋

???如果物理機有超過一個以上的處理器，讓后面請求鎖的那個線程“稍等一下”，但不放棄處理器的執行時間，看看持有鎖的線程是否很快就會釋放鎖。為了讓線程等待，我們只需讓線程執行一個忙循環（自旋），這項技術就是所謂的自旋鎖
自旋次數默認是10次，參數-XX:PreBlockSpin來更改
在JDK1.6中引入了自適應的自旋鎖。自適應意味著自旋的時間不再固定，而是由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的

鎖消除

???虛擬機即時編譯器在運行時，對一些代碼上要求同步，但是被檢測到不可能存在共享數據競爭的鎖進行消除。鎖消除的主要判斷依據來源于逃逸分析的數據支撐，如果判斷在一段代碼中，堆上的所有數據都不會逃逸出去從而被其他線程鎖訪問到，那就可以把它們當做棧上數據對待，認為它們是線程私有的，無須加鎖

鎖粗化

???如果一系統的連續操作都對同一個對象反復加鎖和解鎖，甚至加鎖操作是出現在循環體中，那即使沒有線程競爭，頻繁地進行互斥同步操作也會導致不必要的性能損耗，如果虛擬機探測到有這樣一串零碎的操作都對同一個對象加鎖，將會把加鎖同步的范圍擴展（粗化）到整個操作序列的外部

輕量級鎖

???輕量級鎖時JDK1.6之后加入的新型鎖機制，它名字中的“輕量級”是相對于使用操作系統互斥量來實現的傳統鎖而言的，因此傳統的鎖機制就稱為“重量級”鎖。首先需要強調一點的是，輕量級鎖并不是用來代替重量級鎖的，它的本意是在沒有多線程競爭的前提下，減少傳統的重量級鎖使用操作系統互斥量產生的性能消耗。

獲取輕量級鎖步驟：

1）在代碼進入同步塊的時候，檢查此同步對象有沒有被鎖定（鎖標志狀態為“01”），若沒有被鎖定，虛擬機首先將在當前線程的棧幀中建立一個名為鎖記錄（Lock Record）的空間，用于存儲鎖對象目前的Mark Word的拷貝（官方把這份拷貝加了一個Displaced前綴，即Displaced Mark Word），否則執行步驟3）

2）虛擬機將使用CAS操作嘗試將對象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針，如果這個動作更新成功，那么這個線程就擁有了該對象的鎖，并且對象Mark Word的鎖標志位（Mark Word的最后2bit）將轉變為“00”，即表示此對象處于輕量級鎖定狀態，否則執行步驟3）

3）虛擬機首先檢查對象的Mark Word是否指向當前線程的棧幀，如果指向，說明當前線程已經擁有這個對象的鎖，那就可以直接進入同步塊繼續執行，否則說這個鎖對象已經被其他線程搶占了。如果有兩條以上的線程爭用同一個鎖，那輕量級鎖就不再有效，要膨脹為重量級鎖，鎖標志的狀態值變為“10”，Mark Word中存儲的就是指向重量級鎖（互斥量）的指針，后面等待鎖的線程也要進入阻塞狀態

解除輕量級鎖步驟：

輕量級鎖的釋放也是通過CAS操作來進行的，主要步驟如下：

1）取出在獲取輕量級鎖保存在Displaced Mark Word中的數據；

2）用CAS操作將取出的數據替換當前對象的Mark
Word中，如果成功，則說明釋放鎖成功，否則執行（3）；

3）如果CAS操作替換失敗，說明有其他線程嘗試獲取該鎖，則需要在釋放鎖的同時需要喚醒被掛起的線程。

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偏向鎖

???偏向鎖也是JDK1.6中引入的一項鎖優化，它的目的是消除數據在無競爭情況下的同步原語，進一步提高程序的運行性能。如果說輕量級鎖是在無競爭的情況下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向鎖就是在無競爭的情況下把整個同步都消除了，連CAS操作都不做了

???偏向鎖的“偏”，就是偏心的“偏”、偏袒的“偏”，它的意思是這個鎖會偏向于第一個獲得它的線程，如果在接下來的執行過程中，該鎖沒有被其他的線程獲取，則持有偏向鎖的線程將永遠不需要再進行同步。

獲取鎖

1）檢測Mark Word是否為可偏向狀態，即是否為偏向鎖1，鎖標識位為01；
2）若為可偏向狀態，則測試線程ID是否為當前線程ID，如果是，則執行步驟（5），否則執行步驟（3）；
3）如果線程ID不為當前線程ID，則通過CAS操作競爭鎖，競爭成功，則將Mark Word的線程ID替換為當前線程ID，否則執行線程（4）；
4）通過CAS競爭鎖失敗，證明當前存在多線程競爭情況，當到達全局安全點，獲得偏向鎖的線程被掛起，偏向鎖升級為輕量級鎖，然后被阻塞在安全點的線程繼續往下執行同步代碼塊；
5）執行同步代碼塊

釋放鎖
???偏向鎖的釋放采用了一種只有競爭才會釋放鎖的機制，線程是不會主動去釋放偏向鎖，需要等待其他線程來競爭。偏向鎖的撤銷需要等待全局安全點（這個時間點是上沒有正在執行的代碼）。其步驟如下：

1）暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對象石是否還處于被鎖定狀態；
2）撤銷偏向蘇，恢復到無鎖狀態（01）或者輕量級鎖的狀態；

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重量級鎖

重量級鎖通過對象內部的監視器（monitor）實現，其中monitor的本質是依賴于底層操作系統的Mutex Lock實現，操作系統實現線程之間的切換需要從用戶態到內核態的切換，切換成本非常高。

鎖的優缺點對比

參考資料

周志明：《深入理解Java虛擬機》

方騰飛：《Java并發編程的藝術》