synchronized与锁

Java 中的锁都是基于对象的，每一个对象都可以作为一个锁。

synchronized 关键字

我们可以使用 synchronized 为一段代码或一个方法加上锁。静态方法上加的是类锁。

主要有以下形式。

// 关键字在实例方法上，锁为当前实例
public synchronized void instanceLock() {
    // code
}

// 关键字在静态方法上，锁为当前Class对象
public static synchronized void classLock() {
    // code
}

// 关键字在代码块上，锁为括号里面的对象
public void blockLock() {
    Object o = new Object();
    synchronized (o) {
        // code
    }
}

临界区内的代码同一时间只能由一个获得锁的线程执行。

synchronized 下面写法是等价的。

// 关键字在实例方法上，锁为当前实例
public synchronized void instanceLock() {
    // code
}

// 关键字在代码块上，锁为括号里面的对象
public void blockLock() {
    synchronized (this) {
        // code
    }
}

静态方法同理，使用的类锁（class对象）

// 关键字在静态方法上，锁为当前Class对象
public static synchronized void classLock() {
    // code
}

// 关键字在代码块上，锁为括号里面的对象
public void blockLock() {
    synchronized (this.getClass()) {
        // code
    }
}

锁分类

Java6 为了减少获得锁和释放锁带来的性能损耗，引入了偏向锁和轻量锁。Java6 以前，所有的锁都是重量级锁。Java6 后，一个对象有四种锁状态，由低到高分别为：

无锁
偏向锁
轻量锁
重量锁

无锁是没有对资源进行锁定，任何线程都可以尝试修改它。

几种锁会随着竞争逐渐升级，锁容易升级，但降锁条件比较苛刻。锁降级发生在 Stop The World 期间，当 JVM 进入安全点时，会检查是否有闲置的锁，然后进行降级。

Java 对象头

Java 的锁都是基于对象的，我们看一下对象的锁信息放在哪。

每个 Java 对象都有对象头。如果是非数组类型，用2个字宽存储对象头，如果是数组，3个字宽存储对象头。

在32位处理器中，一个字宽是32位；在64位虚拟机中，一个字宽是64位。

长度	内容	说明
32/64 bit	Mark Word	对象的hashCode或锁信息
32/64 bit	Class Metadata Address	对象类型数据指针
32/64 bit	Array length	数组长度

Mark Word的格式

锁	29/61 bit	1bit(是否为偏向锁)	2bit（锁标志）
无锁		0	01
偏向锁	线程ID	1	01
轻量锁	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			11

当对象状态为偏向锁时，Mark Word 存储的是偏向的线程ID；
为轻量级锁时，Mark Word存储的是指向线程栈中Lock Record的指针;
为重量级锁时，Mark Word为指向堆中 monitor 对象的指针

偏向锁

Hotspot的作者经过以往的研究发现大多数情况下大多数情况下 锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，于是引入了偏向锁。

偏向锁会偏向于第一个获得访问锁的线程，如果接下来，该锁没有被其他线程访问，则持有该锁的线程将永远不需要触发同步。

也就是说，偏向锁在资源无竞争情况下消除了同步语句，连CAS操作都不做了，提高了程序的运行性能。

实现原理

一个线程在第一次进入同步块时，会在对象头和栈帧中的锁记录存储锁偏向的线程ID,当下次该线程再进入整个同步块，会检查锁的 Mark Word 放的是不是当前线程 ID。

如果是，表明线程已经获得了锁，线程进入和退出同步块时不需要花费 CAS 操作来加/解锁。

如果不是，就代表有另一个线程来竞争这个偏向锁。这时会尝试用CAS来替换 Mark Word里的线程ID为新线程的ID，这时有两种情况：

成功，表示之前的线程不在了，Mark Word 里的线程ID更新为新线程的ID，锁依然为偏向锁。
失败，表示之前的线程依然存在，那么暂停之前的线程，设置偏向锁标识为0，并设置锁标志位为00，升级为轻量级锁，会按照轻量级锁的方式进行竞争锁。

撤销偏向锁

偏向锁升级为轻量锁时，会暂停拥有偏向锁的线程，重置偏向锁标志位。

在一个安全点停止拥有锁的线程
遍历线程栈，如果存在锁记录的话，需要修复锁记录和Mark Word，使其变成无锁状态
唤醒被停止的线程，将当前锁升级成轻量级锁。

如果应用程序里的锁通常处于竞争态，偏向锁是一种累赘，这时可以把偏向锁概念关闭

-XX:UseBiasedLocking=false

轻量级锁

加锁

JVM 为每个线程再当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间,我们称为 Displaced Mark Word。

如果一个线程获得锁时发现是轻量级锁，会把锁的 Mark Word 复制到自己的 Displaced Mark Word中。

然后线程尝试 CAS 将锁的**Mark Word替换为指向锁记录指针**。

如果成功，当前线程获得锁
如果失败，表示Mark Word已经被替换成了其他线程的锁记录，说明与其他线程竞争锁，当前线程尝试使用自旋获取锁。

自旋：不断尝试获取锁，一般使用循环实现

自旋消耗CPU资源，如果一直获取不到，线程一直处在自旋状态，白白浪费CPU。JDK采取的方式，适应性自旋，简单来说就是线程如果自旋成功了，则下次自旋的次数会更多，如果自旋失败了，则自旋的次数就会减少。

当自旋到一定程度，依然没有获取倒锁，即自旋失败了，这个线程会被阻塞，同时这个锁会升级为重量级锁。

释放

释放锁时，当前线程会使用 CAS 将Displaced Mark Word的内容复制回锁的Mark Word里，如果无竞争，那么复制会成功。如果有其他线程因为多次自旋导致锁升级为重量级锁，CAS会失败，此时锁被释放并唤醒被阻塞的线程。

重量级锁

重量级锁依赖于操作系统的互斥量（mutex）实现的，而操作系统中线程间状态的转换需要相对比较长的时间，所以重量级锁效率很低，但被阻塞的线程不会消耗CPU。

当多个线程同时请求某个对象锁时，对象锁会设置几种状态来区分请求线程：

Contention List：请求锁的线程首先放到此竞争队列
Entry List：Contention List 中那些有资格成为候选人的线程被移到 Entry List
Wait Set：那些调用wait方法被阻塞的线程被放置到Wait Set
OnDeck：任何时刻最多只能有一个线程正在竞争锁，该线程称为OnDeck
Owner：获得锁的线程称为Owner
!Owner：释放锁的线程

当线程尝试获取锁时，如果锁被占用，该线程会被封装成 ObjectWaiter 对象插入到 Contention List 队尾，然后调用 park 挂起当前线程。

线程释放锁时，会从 Contention List 或 Entry List 中挑选一个线程唤醒, 被选中的线程叫做 Heir presumptive即假定继承人，但 synchronized 是非公平的，假定继承人不一定能获取到锁。因为对于重量级锁，线程先尝试自旋获取锁，这样会减少操作系统同步操作带来的开销。如果自旋不成功再进入等待队列。

如果线程获得锁后调用 Object.wait 方法，则会将线程加入到 Wait Set 中，当被 Object.notify 唤醒后，会将线程从 Wait Set 移动到Contention List或 Entry List中。

当调用一个锁对象的 wait 或 notify时，如果锁时偏向锁或轻量锁则先升级为重量锁。

总结

锁升级流程

偏向锁 -> 轻量级锁
- 线程检查 markword 锁标记，如果是偏向锁，并且锁对象的线程ID为自己，获取锁
- 如果不是自己，执行CAS 替换操作，替换失败，说明有其他线程竞争锁，此时锁升级为轻量级锁，暂停获得锁的线程
轻量级锁 -> 重量级锁

线程将锁对象的 markword复制到自己线程栈的所记录
CAS 替换锁对象的 markdord 为当前线程栈的地址
替换成功说明获取到锁
替换失败，自旋一段时间，如果还是未获取到，升级为重量级锁，自旋线程进入阻塞，等待被唤醒。

锁对比

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，和执行非同步方法比仅存在纳秒级的差距。	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。同步块执行时间较长。

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