Java - Synchronized的锁升级之路

Synchronized锁

Synchronized在Java JVM里的实现是基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步的

monitor enter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置

而monitor exit是插入到方法结束处和异常处

JVM要保证每个monitor enter必须有对应的monitor exit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monitor enter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。

synchronized用的锁是存在Java对象头里的。如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字宽（Word）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，1字宽等于4字节，即32bit。数组类多一个字节用于存储数组长度，也就是说程序获取数组长度的时间复杂度为O(1)。

java对象头的存储结构

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：

Mark Word的状态变化

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

锁的升级

Java 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”

锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：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轻量级锁后不能降级成偏向锁。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。

偏向锁

在锁不存在多线程竞争情况下，为了减小线程获取锁的代价而引入了偏向锁。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，以后该线程再进入同步块时只需简单判断下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。

如果本身是无锁状态（初始状态），只需CAS设置偏向锁指向自己即可；
判断当前对象是否是偏向锁，判断拥有该偏向锁的线程是否还存在（拥有偏向锁的线程使用完毕后不会主动释放），不存在时直接CAS设置偏向锁指向自己线程；
如果拥有该偏向锁的线程还存在，则会暂停拥有偏向锁的线程，这一步操作是在全局安全点进行的。设置锁标志位为00，偏向锁标志位为0，从拥有偏向锁线程A的空闲monitor record中读取一条，放至线程A的当前monitor record中，然后更新mark word，将mark word指向线程A中monitor record的指针，这样就完成了偏向锁升级轻量级锁。之后持有锁的线程会继续执行，竞争该轻量级锁的线程自旋获取该对象。

注意：轻量级锁的获取释放需要多次CAS操作，而偏向锁只是在置换ThreadID时进行一次CAS操作。
偏向锁获取后线程不会主动释放，偏向锁只有在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（被动释放，此时会发生锁升级）。
偏向锁在JDK 6及以后的JVM里是默认启用的。可以通过JVM参数关闭偏向锁： -XX:-UseBiasedLocking=false，关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态。
偏向锁的撤销需要在全局安全点上进行，它会暂停所有持有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于锁定状态。

可以发现偏向锁适用于从始至终都只有一个线程在运行的情况，省略掉了自旋获取锁，以及重量级锁互斥的开销，这种锁的开销最低，性能最好接近于无锁状态，但是如果线程之间存在竞争的话，就需要频繁的去暂停拥有偏向锁的线程然后检查状态，决定是否重新偏向还是升级为轻量级别锁，性能就会大打折扣了，如果事先能够知道可能会存在竞争那么可以选择关掉偏向锁。

轻量级锁

线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈桢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Displaced 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。

轻量级锁在加锁失败进行CAS达到一定次数后（自旋锁默认的次数为 10 次可以通过 -XX:PreBlockSpin 来更改），就会升级为重量级锁；在解锁失败，锁也会升级为重量级锁。
一旦锁升级成重量级锁（就不会再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。

轻量级锁什么时候会解锁失败呢？在发生锁竞争时并且占用锁的线程未释放，这时（自旋默认了10次还是未获取到锁）竞争锁的线程就会将Mark Word 修改为重量级锁，并且将自己阻塞在该锁的monitor对象上。之后占用锁的线程将栈帧中的 Mark Word进行CAS替换回对象头的 Mark Word 的时候，发现有其它线程竞争该锁（已经由竞争锁的线程更改了锁状态），然后它释放锁并且唤醒在等待的线程，后续的线程操作就全部都是重量级锁了。

重量级锁

重量级锁也就是普通的悲观锁了，也就是竞争锁失败会阻塞等待唤醒再次竞争那种，关于这几种锁的对比如下：

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速度较长