工作中经常遇到需要用锁来控制并发的问题，java中提供一个锁神器关键字-Synchronized。通过它可以来解决多线程问题。与Java中另一个Lock锁相比，之前一直觉得Synchronized是重量级的锁，很耗性能，真的是这样吗？

Synchronized的实现原理

synchronized可以保证方法或者代码块在运行时，同一时刻只有一个方法可以进入到临界区，同时它还可以保证共享变量的内存可见性

同步的基础

Java中每一个对象都可以作为锁，这是synchronized实现同步的基础：

• 普通同步方法，锁是当前实例对象
• 静态同步方法，锁是当前类的class对象
• 同步方法块，锁是括号里面的对象

当一个线程访问同步代码块时，它首先是需要得到锁才能执行同步代码，当退出或者抛出异常时必须要释放锁，那么它是如何来实现这个机制的呢？我们先看一段简单的代码：

public class SynchronizedTest {

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

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

image.png

同步的原理

   JVM规范规定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，而方法同步是使用另外一种方式实现的，细节在JVM规范里并没有详细说明，而是在Class文件的方法表中将该方法的access_flags字段中的synchronized标志位置1，表示该方法是同步方法并使用调用该方法的对象或该方法所属的Class在JVM的内部对象表示Class做为锁对象。

   monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，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 的所有权，即尝试获得对象的锁。

   在虚拟机规范的要求，在执行monitorenter指令时，首先尝试获取对象的锁，如果这个对象没有被锁，或者当前线程已经拥有这个对象的锁，把锁的计数器加1，相应的，在执行monitorexit指令时会将计数器减1，当计数器为0是，锁被释放。如果获取对象的锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另外一个线程释放为止。

   在虚拟机规范对monitorenter和monitorexit的行为描述中，有两点需要特别注意的。首先，synchronized同步块对同一个线程来说是可重入的，不会出现自己把自己死锁的问题。其次，同步块在已进入的线程执行完之前，会阻塞后面其他线程的进入

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。

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：

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：

image.png

在64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的，其存储结构如下：

image.png

Monitor

   什么是Monitor？我们可以把它理解为一个同步工具，也可以描述为一种同步机制，它通常被描述为一个对象。

   与一切皆对象一样，所有的Java对象是天生的Monitor，每一个Java对象都有成为Monitor的潜质，因为在Java的设计中 ，每一个Java对象自打娘胎里出来就带了一把看不见的锁，它叫做内部锁或者Monitor锁。
Monitor 是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用monitor record列表，同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个monitor关联（对象头的MarkWord中的LockWord指向monitor的起始地址），同时monitor中有一个Owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。其结构如下：

image.png

• Owner：初始时为NULL表示当前没有任何线程拥有该monitor record，当线程成功拥有该锁后保存线程唯一标识，当锁被释放时又设置为NULL；
• EntryQ:关联一个系统互斥锁（semaphore），阻塞所有试图锁住monitor record失败的线程。
• RcThis:表示blocked或waiting在该monitor record上的所有线程的个数。
• Nest:用来实现重入锁的计数。
• HashCode:保存从对象头拷贝过来的HashCode值（可能还包含GC age）。
• Candidate:用来避免不必要的阻塞或等待线程唤醒，因为每一次只有一个线程能够成功拥有锁，如果每次前一个释放锁的线程唤醒所有正在阻塞或等待的线程，会引起不必要的上下文切换（从阻塞到就绪然后因为竞争锁失败又被阻塞）从而导致性能严重下降。Candidate只有两种可能的值0表示没有需要唤醒的线程1表示要唤醒一个继任线程来竞争锁。

锁性能优化

自旋锁与自适应自旋

   如果物理机有超过一个以上的处理器，让后面请求锁的那个线程“稍等一下”，但不放弃处理器的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。为了让线程等待，我们只需让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁
自旋次数默认是10次，参数-XX:PreBlockSpin来更改
在JDK1.6中引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的时间不再固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的

锁消除

   虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要判断依据来源于逃逸分析的数据支撑，如果判断在一段代码中，堆上的所有数据都不会逃逸出去从而被其他线程锁访问到，那就可以把它们当做栈上数据对待，认为它们是线程私有的，无须加锁

锁粗化

   如果一系统的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中，那即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗，如果虚拟机探测到有这样一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁同步的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部

轻量级锁

   轻量级锁时JDK1.6之后加入的新型锁机制，它名字中的“轻量级”是相对于使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的，因此传统的锁机制就称为“重量级”锁。首先需要强调一点的是，轻量级锁并不是用来代替重量级锁的，它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。

获取轻量级锁步骤：

1）在代码进入同步块的时候，检查此同步对象有没有被锁定（锁标志状态为“01”），若没有被锁定，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（官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced Mark Word），否则执行步骤3）

2）虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，如果这个动作更新成功，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位（Mark Word的最后2bit）将转变为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态，否则执行步骤3）

3）虚拟机首先检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果指向，说明当前线程已经拥有这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“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

解除轻量级锁步骤：

轻量级锁的释放也是通过CAS操作来进行的，主要步骤如下：

1）取出在获取轻量级锁保存在Displaced Mark Word中的数据；

2）用CAS操作将取出的数据替换当前对象的Mark
Word中，如果成功，则说明释放锁成功，否则执行（3）；

3）如果CAS操作替换失败，说明有其他线程尝试获取该锁，则需要在释放锁的同时需要唤醒被挂起的线程。

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偏向锁

   偏向锁也是JDK1.6中引入的一项锁优化，它的目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语，进一步提高程序的运行性能。如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除了，连CAS操作都不做了

   偏向锁的“偏”，就是偏心的“偏”、偏袒的“偏”，它的意思是这个锁会偏向于第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。

获取锁

1）检测Mark Word是否为可偏向状态，即是否为偏向锁1，锁标识位为01；
2）若为可偏向状态，则测试线程ID是否为当前线程ID，如果是，则执行步骤（5），否则执行步骤（3）；
3）如果线程ID不为当前线程ID，则通过CAS操作竞争锁，竞争成功，则将Mark Word的线程ID替换为当前线程ID，否则执行线程（4）；
4）通过CAS竞争锁失败，证明当前存在多线程竞争情况，当到达全局安全点，获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码块；
5）执行同步代码块

释放锁
   偏向锁的释放采用了一种只有竞争才会释放锁的机制，线程是不会主动去释放偏向锁，需要等待其他线程来竞争。偏向锁的撤销需要等待全局安全点（这个时间点是上没有正在执行的代码）。其步骤如下：

1）暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象石是否还处于被锁定状态；
2）撤销偏向苏，恢复到无锁状态（01）或者轻量级锁的状态；

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重量级锁

重量级锁通过对象内部的监视器（monitor）实现，其中monitor的本质是依赖于底层操作系统的Mutex Lock实现，操作系统实现线程之间的切换需要从用户态到内核态的切换，切换成本非常高。

锁的优缺点对比

参考资料

周志明：《深入理解Java虚拟机》

方腾飞：《Java并发编程的艺术》