Synchronized原理

目录

一.Synchronized锁的状态

二.偏向锁

1.加锁过程

2.解锁过程

三.轻量级锁

1.加锁过程

2.解锁过程

四.重量级锁

五.总结

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一.Synchronized锁的状态

四种锁状态：

        1.无锁

        2.偏向锁

        3.轻量级锁

        4.重量级锁

锁的级别由低到高分别是：无锁状态->偏向锁状态->轻量级锁状态->重量级锁状态。这几个状态会随着锁的竞争情况逐渐升级（只能升级，不能降级），也叫锁的膨胀。

二.偏向锁

作用：减少同一线程获取锁的代价

        偏向锁假定将来只有第一个申请锁的线程会使用锁（不会有任何线程再来申请锁），因此，只需要在Mark Word中CAS记录owner（本质上也是更新，但初始值为空），如果记录成功，则偏向锁获取成功，记录锁状态为偏向锁，以后当前线程等于owner就可以零成本的直接获得锁；否则，说明有其他线程竞争，膨胀为轻量级锁。

1.加锁过程

        当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机把对象头中的锁标志位设为“01”，即偏向模式。同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中的偏向线程ID，并将是否偏向锁的状态位置置为1。如果CAS操作成功，持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时，直接检查markword中的ThreadId是否和 自身线程Id一致，如果一致，则认为当前线程已经获取了锁，JVM就可以不再进行任何同步操作。

        当有另外一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式就宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，撤销偏向（Revoke Bias）后恢复到未锁定状态或 轻量级锁定（标志位为“00”）的状态。

2.解锁过程

        一旦有第二个线程访问这个对象，因为偏向锁不会主动释放，所以第二个线程可以看到对象是偏向状态，这时表明在这个对象上已经存在竞争了，检查原来持有该对象锁的线程是否依然存活，如果挂了，则可以将对象变为无锁状态，然后重新偏向新的线程，如果原来的线程依然存活，则马上执行那个线程的操作栈，检查该对象(锁)的使用情况，如果仍然需要持有偏向锁，则偏向锁升级为轻量级锁，（偏向锁就是这个时候升级为轻量级锁的）。如果不存在使用了，则可以将对象(锁)回复成无锁状态，然后重新偏向。

三.轻量级锁

        当有别的线程参与到偏向锁的竞争中时，会先判断 markword 中的线程ID与这个线程是否一致，如果不一致，则会立即撤销偏向锁，升级为轻量级锁。

        每个线程都会在自己的栈中维护一个 LockRecord(LR)，然后每个线程在竞争锁时，都试图将 锁对象头 中的markword 设置为指向自己LR的指针，哪个线程设置成功，则意味着哪个线程成功获取到锁。

1.加锁过程

        在代码进入同步块前，如果该同步块没有被锁定(即锁的标志位为“01”)，那么JVM在将当前线程的栈帧中，创建一个 LockRecord(锁记录LR)，并将锁对象头中的 markWord 信息复制到锁记录(LR)中，这个官方称为 Displaced Mard Word。
然后线程尝试使用 CAS 将对象头中的 MarkWord 替换为指向锁记录(LR)的指针。

如果这个更新动作成功了，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。

如果 cas 失败，有两种情况：

        如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。如果在自旋一定次数后仍未获得锁，那么轻量级锁将会升级成重量级锁。

        如果是自己执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数

2.解锁过程

        当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一。

        当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null ，这时使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头。

        成功，则解锁成功

        失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

四.重量级锁

        如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。

这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程：

        即为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址

        然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED

        当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，失败。这时会进入重量级解锁流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null ，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程。

五.总结

由于轻量级锁会自旋，即不会放弃CPU，那么对一些执行时间短的任务而言，用轻量级锁可以减少线程切换的时间(对比重量级锁)。

（1）偏向锁通过对比 Mark Word 解决加锁问题，避免执行CAS操作。
（2）轻量级锁是通过用 CAS 操作和自旋来解决加锁问题，避免线程阻塞和唤醒而影响性能。
（3）重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞。