浅谈Java并发编程系列（七） ——— 深入解析synchronized关键字

Synchronized关键字

synchronized的锁机制的主要优势是Java语言内置的锁机制，因此，JVM可以自由的优化而不影响已存在的代码。

任何对象都拥有对象头这一数据结构来支持锁，但是对于较大的对象系统开销会更大一些。

java中的每一个对象都至少包含2个字（2*4 Bytes for 32bits & 2*8 Bytes for 64bits, 不包括已压缩的对象）。第一个字被称为Mark Word。这是一个对象的头，它包含了不同的信息，包括锁的相关信息。
第二个字是指向metadata class的指针，metadata class字义了对象的类型。这部分也包含了VMT（Virtual Method Table）。

Mark Word 的结构如下所示：

Mark Word根据最低两位（Tag）的所表示的状态，编码了不同的信息。
如果这个对象没有被用作锁，Mark Word 记录了hashcode和对象年龄（for GC/survivors）。
除此之外，有3种状态对应锁：轻量级锁，重量级锁和偏向锁。

经量级锁

所有现代JVM都引入了经量级锁：

• 避免将每个对象关联操作系统的mutex/condition变量（重量级锁）

• 当不存在锁竞争时，使用原子操作来进入退出同步块

• 如果发生锁竞争，回退到操作系统的重量级锁

引入轻量级锁会提供锁效率，因为大部分锁都不存在竞争。

经量级锁的加锁过程：

• 当一个对象被锁定时，mark word被复制到当前尝试获取锁的线程的线程栈（Execution stack）的锁记录空间（lock record）, 被复制的mark word官方称为displaced mark。

• 使用CAS操作来尝试使 mark word指向当前线程的锁记录空间（即在mark word中存入使用当前线程锁记录空间的指针——stack pointer）。

• 如果CAS操作成功，则线程获得锁。

• 如果CAS操作失败，即表明存在锁竞争，则发生锁膨胀，回退到重量级锁。

• 锁记录空间中记录了被当前执行方法锁定的对象（通过遍历线程栈找到线程的锁对象）

经量级锁加锁前：

经量级锁加锁后：

经量级锁的解锁过程：

• 解锁使用CAS来把displaced mark写回对象的mark word中。

• 如果CAS失败， 表示发生锁竞争：则锁膨胀。（通知其他等待线程锁已释放）

• 将锁记录空间置为0：如果发生锁膨胀，则用0替换displaced mardk，如果不存在竞争，则CAS将锁记录空间置为0后，停止CAS操作。

偏向锁

偏向锁的引入：

• 在多处理器上CAS操作可能开销很大。

• 大多数锁不仅不存在竞争，而且往往由同一个线程使用。

• 使单独一个线程获取锁的开销更低。

• 代价是使另一个线程获取锁开销增大。

偏向锁加锁过程：

当锁对象第一次被线程获取时，VM把对象头中的标志位设为101，即偏向模式。同时使用CAS把获取到这个锁的线程ID记录在对象的mark word中，如果CAS成功，则持有偏向锁的线程以后每次进行这个锁相关的同步块时，不再进行任务同步操作，只进行比较Mark word中的线程ID是否是当前线程的ID。

偏向锁的解锁过程：

当另外一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式结束。根据锁对象目前是否处于被锁定状态，撤销偏向后恢复到未锁定或经量级锁定状态。

VM会停止持有偏向锁的线程（实际上，VM不能停止单一线程，而是在安全点进行的操作）。
遍历持有偏向锁的线程的栈，找到锁记录空间，将displaced mark 写入到最旧的锁记录空间，其他的写0。
更新锁对象的mark word。如果被锁定，则指向最旧的锁记录空间，否则，填入未锁定值。

偏向锁的特点：

• 偏向于第一个获取锁的线程：

  • 在mark word的Tag中增加一位
  • 001表示无锁状态
  • 101表示偏向或可偏向状态（thread ID ==0 == unlock）
  • 通过CAS来获取偏向锁

• 对于持有锁的线程接下的锁获取和释放开销非常小（仅仅判断下，不需要CAS同步操作）。

• 如果另一个线程锁定了偏向锁对象，则偏向锁收回，升级为轻量级锁（增加了另一个线程获取锁的开销）。