Synchronized鎖

Synchronized在Java JVM里的實現是基于進入和退出Monitor對象來實現方法同步和代碼塊同步的

monitor enter指令是在編譯后插入到同步代碼塊的開始位置

而monitor exit是插入到方法結束處和異常處

JVM要保證每個monitor enter必須有對應的monitor exit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monitor enter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。

synchronized用的鎖是存在Java對象頭里的。如果對象是數組類型，則虛擬機用3個字寬（Word）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，1字寬等于4字節，即32bit。數組類多一個字節用于存儲數組長度，也就是說程序獲取數組長度的時間復雜度為O(1)。

java對象頭的存儲結構

鎖狀態	25bit	4bit	1bit是否是偏向鎖	2bit 鎖標志位
無鎖狀態	對象的hashCode	對象分代年齡	0	01

?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：

Mark Word的狀態變化

鎖狀態	25bit		4bit		1bit		2bit
	23bit	2bit			是否是偏向鎖		鎖標志位
輕量級鎖	指向棧中鎖記錄的指針						00
重量級鎖	指向互斥量(重量級鎖)的指針						10
GC標記	空						11
偏向鎖	線程ID	Epoch		對象分代年齡		1	01

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鎖的升級

Java 1.6為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級鎖”

鎖一共有4種狀態，級別從低到高依次是：無鎖狀態、偏向鎖狀態、輕量級鎖狀態和重量級鎖狀態，這幾個狀態會隨著競爭情況逐漸升級。鎖可以升級但不能降級，意味著偏向鎖升級成輕量級鎖后不能降級成偏向鎖。這種鎖升級卻不能降級的策略，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。

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偏向鎖

在鎖不存在多線程競爭情況下，為了減小線程獲取鎖的代價而引入了偏向鎖。當一個線程訪問同步塊并獲取鎖時，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲鎖偏向的線程ID，以后該線程再進入同步塊時只需簡單判斷下對象頭的Mark Word里是否存儲著指向當前線程的偏向鎖。

1. 如果本身是無鎖狀態（初始狀態），只需CAS設置偏向鎖指向自己即可；
2. 判斷當前對象是否是偏向鎖，判斷擁有該偏向鎖的線程是否還存在（擁有偏向鎖的線程使用完畢后不會主動釋放），不存在時直接CAS設置偏向鎖指向自己線程；
3. 如果擁有該偏向鎖的線程還存在，則會暫停擁有偏向鎖的線程，這一步操作是在全局安全點進行的。設置鎖標志位為00，偏向鎖標志位為0，從擁有偏向鎖線程A的空閑monitor record中讀取一條，放至線程A的當前monitor record中，然后更新mark word，將mark word指向線程A中monitor record的指針，這樣就完成了偏向鎖升級輕量級鎖。之后持有鎖的線程會繼續執行，競爭該輕量級鎖的線程自旋獲取該對象。

注意：輕量級鎖的獲取釋放需要多次CAS操作，而偏向鎖只是在置換ThreadID時進行一次CAS操作。
偏向鎖獲取后線程不會主動釋放，偏向鎖只有在其他線程嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的線程才會釋放鎖（被動釋放，此時會發生鎖升級）。
偏向鎖在JDK 6及以后的JVM里是默認啟用的。可以通過JVM參數關閉偏向鎖： -XX:-UseBiasedLocking=false，關閉之后程序默認會進入輕量級鎖狀態。
偏向鎖的撤銷需要在全局安全點上進行，它會暫停所有持有偏向鎖的線程，判斷鎖對象是否處于鎖定狀態。

可以發現偏向鎖適用于從始至終都只有一個線程在運行的情況，省略掉了自旋獲取鎖，以及重量級鎖互斥的開銷，這種鎖的開銷最低，性能最好接近于無鎖狀態，但是如果線程之間存在競爭的話，就需要頻繁的去暫停擁有偏向鎖的線程然后檢查狀態，決定是否重新偏向還是升級為輕量級別鎖，性能就會大打折扣了，如果事先能夠知道可能會存在競爭那么可以選擇關掉偏向鎖。

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輕量級鎖

線程在執行同步塊之前，JVM會先在當前線程的棧楨中創建用于存儲鎖記錄的空間，并將對象頭中的Mark Word復制到鎖記錄中，官方稱為Displaced Mark Word。然后線程嘗試使用CAS將對象頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針。如果成功，當前線程獲得鎖，如果失敗，表示其他線程競爭鎖，當前線程便嘗試使用自旋來獲取鎖。

輕量級鎖在加鎖失敗進行CAS達到一定次數后（自旋鎖默認的次數為 10 次可以通過 -XX:PreBlockSpin 來更改），就會升級為重量級鎖；在解鎖失敗，鎖也會升級為重量級鎖。
一旦鎖升級成重量級鎖（就不會再恢復到輕量級鎖狀態），當鎖處于這個狀態下，其他線程試圖獲取鎖時，都會被阻塞住，當持有鎖的線程釋放鎖之后會喚醒這些線程，被喚醒的線程就會進行新一輪的奪鎖之爭。

輕量級鎖什么時候會解鎖失敗呢？在發生鎖競爭時并且占用鎖的線程未釋放，這時（自旋默認了10次還是未獲取到鎖）競爭鎖的線程就會 將Mark Word 修改為重量級鎖，并且將自己阻塞在該鎖的monitor對象上。之后占用鎖的線程將棧幀中的 Mark Word進行CAS替換回對象頭的 Mark Word 的時候，發現有其它線程競爭該鎖（已經由競爭鎖的線程更改了鎖狀態），然后它釋放鎖并且喚醒在等待的線程，后續的線程操作就全部都是重量級鎖了。

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重量級鎖

重量級鎖也就是普通的悲觀鎖了，也就是競爭鎖失敗會阻塞等待喚醒再次競爭那種，關于這幾種鎖的對比如下：

鎖	優 點	缺 點	適用場景
偏向鎖	加鎖和解鎖不需要額外的消耗,和執 行非同步方法相比僅存在納秒級的差距	如果線程間存在鎖競爭, 會帶來額外的鎖撤銷的消耗	適用于只有一個線程訪 問同步塊場景
輕量級鎖	競爭的線程不會阻塞,提高了程序的 響應速度	如果始終得不到鎖競爭的 線程,使用自旋會消耗CPU	追求響應時間 同步塊執行速度非常快
重量級鎖	線程競爭不使用自旋,不會消耗CPU	線程阻塞,響應時間緩慢	追求吞吐量 同步塊執行速度較長