详细了解 synchronized 锁升级过程

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前言

首先，synchronized 是什么？我们需要明确的给个定义——同步锁，没错，它就是把锁。

可以用来干嘛？锁，当然当然是用于线程间的同步，以及保护临界区内的资源。我们知道，锁是个非常笼统的概念，像生活中有指纹锁、密码锁等等多个种类，那 synchronized 代表的锁具体是把什么锁呢？

答案是—— Java 内置锁。在 Java 中，每个对象中都隐藏着一把锁，而 synchronized 关键字就是激活这把隐式锁的把手（开关）。

先来简单了解一下 synchronized，我们知道其共有 3 种使用方式：

Synchronized 的使用

修饰静态方法：锁住当前 class，作用于该 class 的所有实例
修饰非静态方法：只会锁住当前 class 的实例
修饰代码块：该方法接受一个对象作为参数，锁住的即该对象

使用方法就不在这里赘述，可自行搜索其详细的用法，这不是本篇文章所关心的内容。

知道了 synchronized 的概念，回头来看标题，它说的锁升级到底是个啥？对于不太熟悉锁升级的人来说，可能会想：

所谓锁，不就是啪一下锁上就完事了吗？升级是个什么玩意？~~这跟打扑克牌也没关系啊。~~

对于熟悉的人来说，可能会想：

不就是「无锁 ==> 偏向锁 ==> 轻量级锁 ==> 重量级锁」吗？

你可能在很多地方看到过上面描述的锁升级过程，也能直接背下来。但你真的知道无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁到底代表着什么吗？这些锁存储在哪里？以及什么情况下会使得锁向下一个 level 升级？

想知道答案，我们似乎必须先搞清楚 Java 内置锁，其内部结构是啥样的？内置锁又存放在哪里？

答案在开篇提到过——在 Java 对象中。

那么现在的问题就从「内置锁结构是啥」变成了「Java 对象长啥样」。

对象结构

从宏观上看，Java 对象的结构很简单，分为三部分：

Java 对象结构
从微观上看，各个部分都还可以深入展开，详见下图：

Java 详细对象结构
接下来分别深入讨论一下这三部分。

对象头

从脑图中可以看出，其由 Mark Word、Class Pointer、数组长度三个字段组成。简单来说：

Mark Word：主要用于存储自身运行时数据
Class Pointer：是指针，指向方法区中该 class 的对象，JVM 通过此字段来判断当前对象是哪个类的实例
数组长度：当且仅当对象是数组时才会有该字段

Class Pointer 和数组长度没什么好说的，接下来重点聊聊 Mark Word。

Mark Word 所代表的「运行时数据」主要用来表示当前 Java 对象的线程锁状态以及 GC 的标志。而线程锁状态分别就是无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。

所以前文提到的这 4 个状态，其实就是 Java 内置锁的不同状态。

在 JDK 1.6 之前，内置锁都是重量级锁，效率低下。效率低下表现在

而在 JDK 1.6 之后为了提高 synchronized 的效率，才引入了偏向锁、轻量级锁。

随着锁竞争逐渐激烈，其状态会按照「无锁 ==> 偏向锁 ==> 轻量级锁 ==> 重量级锁」这个方向逐渐升级，并且不可逆，只能进行锁升级，而无法进行锁降级。

接下来我们思考一个问题，既然 Mark Word 可以表示 4 种不同的锁状态，其内部到底是怎么区分的呢？（由于目前主流的 JVM 都是 64 位，所以我们只讨论 64 位的 Mark Word）接下来我们通过图片直观的感受一下。

（1）无锁

无锁
这个可以理解为单线程很快乐的运行，没有其他的线程来和其竞争。

（2）偏向锁

偏向锁
首先，什么叫偏向锁？举个例子，一段同步的代码，一直只被线程 A 访问，既然没有其他的线程来竞争，每次都要获取锁岂不是浪费资源？所以这种情况下线程 A 就会自动进入偏向锁的状态。

后续线程 A 再次访问同步代码时，不需要做任何的 check，直接执行（对该线程的「偏爱」），这样降低了获取锁的代价，提升了效率。

看到这里，你会发现无锁、偏向锁的 lock 标志位是一样的，即都是 01，这是因为无锁、偏向锁是靠字段 biased_lock 来区分的，0 代表没有使用偏向锁，1 代表启用了偏向锁。为什么要这么搞？你可以理解为无锁、偏向锁在本质上都可以理解为无锁（参考上面提到的线程 A 的状态），所以 lock 的标志位都是 01 是没毛病的。

PS：这里的线程 ID 是持有当前对象偏向锁的线程

（3）轻量级锁

轻量级锁
但是，一旦有第二个线程参与竞争，就会立即膨胀为轻量级锁。企图抢占的线程一开始会使用自旋：

的方式去尝试获取锁。如果循环几次，其他的线程释放了锁，就不需要进行用户态到内核态的切换。虽然如此，但自旋需要占用很多 CPU 的资源（自行理解汽车空档疯狂踩油门）。如果另一个线程一直不释放锁，难道它就在这一直空转下去吗？

当然不可能，JDK 1.7 之前是普通自旋，会设定一个最大的自旋次数，默认是 10 次，超过这个阈值就停止自旋。JDK 1.7 之后，引入了适应性自旋。简单来说就是：这次自旋获取到锁了，自旋的次数就会增加；这次自旋没拿到锁，自旋的次数就会减少。

（4）重量级锁

重量级锁
上面提到，试图抢占的线程自旋达到阈值，就会停止自旋，那么此时锁就会膨胀成重量级锁。当其膨胀成重量级锁后，其他竞争的线程进来就不会自旋了，而是直接阻塞等待，并且 Mark Word 中的内容会变成一个监视器（monitor）对象，用来统一管理排队的线程。

这个 monitor 对象，每个对象都会关联一个。monitor 对象本质上是一个同步机制，保证了同时只有一个线程能够进入临界区，在 HotSpot 的虚拟机中，是由 C++ 类 ObjectMonitor 实现的。

那么 monitor 对象具体是如何来管理线程的？接下来我们看几个 ObjectMonitor 类关键的属性：

ContentionQueue：是个队列，所有竞争锁的线程都会先进入这个队列中，可以理解为线程的统一入口，进入的线程会阻塞。
EntryList：ContentionQueue 中有资格的线程会被移动到这里，相当于进行一轮初筛，进入的线程会阻塞。
Owner：拥有当前 monitor 对象的线程，即 —— 持有锁的那个线程。
OnDeck：与 Owner 线程进行竞争的线程，同一时刻只会有一个 OnDeck 线程在竞争。
WaitSet：当 Owner 线程调用 wait() 方法被阻塞之后，会被放到这里。当其被唤醒之后，会重新进入 EntryList 当中，这个集合的线程都会阻塞。
Count：用于实现可重入锁，synchronized 是可重入的。