Java并发编程之Synchronized

synchronized关键字，相信大家都不会陌生，但是很多人对它的理解还是重量级锁。随着JDK1.6对synchronized进行了各种优化后，它变得不再那么重了。今天，让我们一起看下它的实现原理及应用。

Java中的每一个对象都可以作为锁。对于普通同步方法，锁是当前实力对象。对于静态同步方法，锁是当前类的Class对象。对于同步代码块，锁是括号里对应的对象。当一个线程试图访问同步代码块时，首先要得到锁，退出或抛出异常时要释放锁。

synchronized经过编译后，会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令。根据虚拟机规范的要求，在执行monitorenter指令时，首先要尝试获取对象的锁。如果这个对象没有被锁定，或者当前线程已经拥有了那个对象的锁，则把锁的计数器加1，从这可以看出，同步块对于同一线程来说是可重入的，这也就避免了自己把自己锁死的问题。在执行monitorexit指令时，会将锁计数器减1，如果计数器为0时，锁就被释放。如果获取锁对象失败，当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另一个线程释放。

synchronized用的锁是存在Java对象头里的，HotSpot虚拟机的对象头分为两个部分，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁标记位等。这部分的数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32bit和64bit,官方称它为“Make World”,第二部分用于存储指向方法区对象类型数据的指针，如果是数组对象的化，还会有一个额外的部分用户存储数组的长度。

对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计为一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。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。对象的存储内容如下图：

JDK1.6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。锁可以升级但不可降级，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。下面我会详细介绍下几种锁。

偏向锁，JDK1.6引入的一项锁优化，大多数情况下锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。锁会偏向于第一个获取它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头及栈帧中的锁记录中存储锁偏向的线程ID，以后该线程进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁。只需简单测试下对象头的Mark Word中是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试下Mark Word中偏向锁的标识是否设置为1，如果没有设置则用CAS竞争锁。如果设置了，则尝试CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能，但有锁竞争时，需要撤销偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有正在执行的字节码）。首先会暂停持有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否处于活动状态，如果不是活动状态，则将对象头设置为无锁状态。如果线程还活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。

轻量级锁，也是JDK1.6加入的新型锁机制。线程执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈帧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，当前线程获取锁，失败表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获得锁。自旋避免了用户线程和内核切换的消耗。如果持有锁的线程超过了自旋等待的时间仍然没有释放锁，这时自旋线程会停止自旋进入阻塞状态。轻量级解锁时，会使用原子的 CAS 操作来将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。

上面介绍了几种锁，现在对比下锁的优缺点以及应用场景，以便大家更好的了解锁：

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。

下图是在网上找的一张关于锁状态变化的一张图，画的很详细：

到此，本篇文章就结束了，希望大家有所收获。

以上，参考：《Java并发编程的艺术》、《深入理解Java虚拟机》