synchronized 锁升级实现原理

对象的内存结构

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充

在这里插入图片描述

我们需要重点分析MarkWord对象头

MarkWord

hashcode：25位的对象标识Hash码
age：对象分代年龄占4位
biased_lock：偏向锁标识，占1位，0表示没有开始偏向锁，1表示开启了偏向锁
thread：持有偏向锁的线程ID，占23位
epoch：偏向时间戳，占2位
ptr_to_lock_record：轻量级锁状态下，指向栈中锁记录的指针，占30位
ptr_to_heavyweight_monitor：重量级锁状态下，指向对象监视器Monitor的指针，占30位

我们可以通过lock的标识，来判断是哪一种锁的等级

后三位是001表示无锁
后三位是101表示偏向锁
后两位是00表示轻量级锁
后两位是10表示重量级锁

2.2.3 再说Monitor重量级锁

每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针

简单说就是：每个对象的对象头都可以设置monoitor的指针，让对象与monitor产生关联

2.2.4 轻量级锁

在很多的情况下，在Java程序运行时，同步块中的代码都是不存在竞争的，不同的线程交替的执行同步块中的代码。这种情况下，用重量级锁是没必要的。因此JVM引入了轻量级锁的概念。

static final Object obj = new Object();public static void method1() {synchronized (obj) {// 同步块 Amethod2();}
}public static void method2() {synchronized (obj) {// 同步块 B}
}

加锁的流程

1.在线程栈中创建一个Lock Record，将其obj字段指向锁对象。

2.通过CAS指令将Lock Record的地址存储在对象头的mark word中（数据进行交换），如果对象处于无锁状态则修改成功，代表该线程获得了轻量级锁。

3.如果是当前线程已经持有该锁了，代表这是一次锁重入。设置Lock Record第一部分为null，起到了一个重入计数器的作用。

4.如果CAS修改失败，说明发生了竞争，需要膨胀为重量级锁。

解锁过程

1.遍历线程栈,找到所有obj字段等于当前锁对象的Lock Record。

2.如果Lock Record的Mark Word为null，代表这是一次重入，将obj设置为null后continue。

3.如果Lock Record的 Mark Word不为null，则利用CAS指令将对象头的mark word恢复成为无锁状态。如果失败则膨胀为重量级锁。

偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。

Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现

这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有

static final Object obj = new Object();public static void m1() {synchronized (obj) {// 同步块 Am2();}
}public static void m2() {synchronized (obj) {// 同步块 Bm3();}
}public static void m3() {synchronized (obj) {}
}

加锁的流程

1.在线程栈中创建一个Lock Record，将其obj字段指向锁对象。

2.通过CAS指令将Lock Record的线程id存储在对象头的mark word中，同时也设置偏向锁的标识为101，如果对象处于无锁状态则修改成功，代表该线程获得了偏向锁。

3.如果是当前线程已经持有该锁了，代表这是一次锁重入。设置Lock Record第一部分为null，起到了一个重入计数器的作用。与轻量级锁不同的时，这里不会再次进行cas操作，只是判断对象头中的线程id是否是自己，因为缺少了cas操作，性能相对轻量级锁更好一些

实现全流程

在java6.0之前我们使用synchronized是为了解决多个线程之间的竞争问题，使用的是重量级锁。其实现是通过监视器Monitor来实现。但在java6之后就引入了偏向锁，轻量级锁，以及重量级锁。下面是锁升级的全流程介绍

首先当一个对象刚被创建在其对象头当中会设置Mark Word信息，Mark Word是用来保存对象的基本信息如hash值，锁信息等。当一个对象刚被创建其状态必然是无锁状态，在对象头的Mark Word当中就会有个所表示用来表示当前状态，无锁为00.当一个线程尝试获取锁时，就会检查Mark Word当中的信息判断其状态，如果为无锁状态就会尝试通过CAS的方式去修改锁表示，在CAS执行成功后同时还会在Mark Word当中储存当前线程的线程ID，之后会在锁的内存当中创建一条所记录用于备份对象头当中的Mark Word信息。

此时如果还有其他线程进入，首先回去判断Mark Word当中的线程ID与自身线程ID是否相同，如果不同则表明出现了锁竞争，jvm会将当前锁升级为轻量级锁。在轻量级锁当中对象的Mark Word会保存一个锁对象的地址指针，线程需要用过CAS的方式去修改这个指针使其指向自己，哪个线程修改成功就可以获取锁。除此之外轻量级锁同偏向锁一样也会在线程内部创建所记录，但是轻量级锁的所记录条数取决于重入次数（只有第一次所记录才会记录对象的Mark Word信息，重入锁的所记录不会记录Mark Word）。

如果其他线程多次尝试获取锁失败，说明当前竞争非常激烈，此时jvm就会将锁升级为重量级锁，重量级锁是通过监视器Monitor实现的，锁对象的对象头会通过Mark Wrld指向一个监视器。在监视器的内部主要包含三个组成，Owner，EntitySet，WaitSet。当线程尝试获取锁的时候就会去检查Owner当中是否为空，如果为空则尝试将Owner与自身线程绑定，即占有了该锁。此时如果还会有线程进入一样需要查看Owner当中是否为空，如果不为空则会被放入EntitySet当中，该结构是用来储存等待的线程的。当Owner线程执行完毕释放锁，就会通过计算机操作系统，通过内核态来唤醒这些线程去抢锁。除此之外对于使用了Wait方法的线程，监视器会将其放入WaitSet队列当中进行等待

Monitor实现的锁属于重量级锁，你了解过锁升级吗？