Synchronized鎖優(yōu)化

（1）引言

在JDK1.5之前，synchronized的底層實(shí)現(xiàn)都是重量級(jí)的，借助操作系統(tǒng)底層實(shí)現(xiàn)，也稱(chēng)之為synchronized為重量級(jí)鎖，在JDK1.5之后，對(duì)Synchronized進(jìn)行了各種優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)的原理是鎖升級(jí)的過(guò)程，有了偏向鎖、輕量級(jí)鎖和重量級(jí)鎖的概念。

（2）Java對(duì)象的內(nèi)存布局

在Java中，創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象后，在JVM中，對(duì)象在內(nèi)存中的存儲(chǔ)布局，分為三塊：

• 對(duì)象頭區(qū)域： 存放鎖信息、對(duì)象年齡等信息。
• 實(shí)例數(shù)據(jù)區(qū)域： 存儲(chǔ)的是對(duì)象的真正有效的信息，比如對(duì)象中所有字段內(nèi)容。
• 對(duì)齊填充區(qū)域： JVM規(guī)定對(duì)象的起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，如果一個(gè)對(duì)象實(shí)際占用的內(nèi)存大小不是8字節(jié)的整數(shù)倍，就“補(bǔ)位”到8字節(jié)的整數(shù)倍，對(duì)齊填充區(qū)域的大小不是固定的。

synchronized用的鎖是存在對(duì)象頭里，如果對(duì)象是數(shù)組類(lèi)型，對(duì)象頭中還包含了數(shù)組長(zhǎng)度。

如果是數(shù)組類(lèi)型，則虛擬機(jī)使用3個(gè)字寬存儲(chǔ)對(duì)象頭，如果不是數(shù)組類(lèi)型，則占用2個(gè)字寬存儲(chǔ)對(duì)象頭，在32位系統(tǒng)下，1字寬等于4字節(jié)即32bit位。

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在Java對(duì)象頭中Mark Word是默認(rèn)存儲(chǔ)對(duì)象的hashcode，分代年齡和鎖的標(biāo)記位。32位JVM中Mark Word默認(rèn)存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

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在Java SE1.6中，鎖一共存在4種狀態(tài)，級(jí)別從低到高依次是：無(wú)鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級(jí)鎖狀態(tài)和重量級(jí)鎖狀態(tài)，這幾個(gè)狀態(tài)隨著競(jìng)爭(zhēng)的情況逐漸升級(jí)，鎖是可以升級(jí)的但是不能降級(jí)，意味著偏向鎖升級(jí)成輕量級(jí)鎖再升級(jí)為重量級(jí)鎖，目的是為了提高獲取鎖和釋放鎖的效率。

（3）偏向鎖

偏向鎖的操作是無(wú)需操作系統(tǒng)介入的，每個(gè)對(duì)象都有對(duì)象頭，對(duì)象頭中的Mark Word區(qū)域存儲(chǔ)對(duì)象的鎖信息。

該對(duì)象頭先處于無(wú)鎖狀態(tài)，當(dāng)有線(xiàn)程來(lái)訪(fǎng)問(wèn)，JVM使用CAS操作將線(xiàn)程ID記錄到Mark Word中，修改偏向鎖的標(biāo)識(shí)位，當(dāng)前線(xiàn)程就擁有了這把鎖

??注意：將線(xiàn)程ID通過(guò)CAS記錄，變更偏向鎖標(biāo)識(shí)為1。

JVM不用和操作系統(tǒng)協(xié)商設(shè)置monitor，只需要記錄下線(xiàn)程ID，就表示當(dāng)前線(xiàn)程擁有這把鎖，不用操作系統(tǒng)介入獲取鎖的線(xiàn)程就可以進(jìn)入到程序代碼塊中執(zhí)行，當(dāng)線(xiàn)程再次執(zhí)行時(shí)，JVM通過(guò)鎖對(duì)象的Mark Word判斷，如果當(dāng)前線(xiàn)程ID還存在，就說(shuō)明該線(xiàn)程還持有著這個(gè)對(duì)象的鎖，就直接進(jìn)入臨界區(qū)執(zhí)行，這個(gè)就是偏向鎖，在沒(méi)有別的線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)候，一直偏向當(dāng)前的線(xiàn)程可以一直執(zhí)行。

優(yōu)點(diǎn)：只有一個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行同步塊時(shí)進(jìn)一步提高性能，適用于一個(gè)線(xiàn)程反復(fù)獲取同一個(gè)鎖的情況，偏向鎖可以提高帶有同步但無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的程序的性能。

（4）輕量級(jí)鎖

如果在偏向鎖中一個(gè)線(xiàn)程A一直執(zhí)行過(guò)程中，此時(shí)又來(lái)了另一個(gè)線(xiàn)程B要進(jìn)入代碼塊中執(zhí)行，但是鎖對(duì)象保存的是線(xiàn)程A的線(xiàn)程ID，還是偏向鎖，這時(shí)候就導(dǎo)致線(xiàn)程B無(wú)法執(zhí)行，這個(gè)時(shí)候就需要對(duì)偏向鎖進(jìn)行升級(jí)，變成一個(gè)輕量級(jí)鎖。
JVM把鎖對(duì)象恢復(fù)成無(wú)鎖狀態(tài)，在當(dāng)前的兩個(gè)線(xiàn)程的棧幀中各分配一個(gè)空間，叫做Lock Record，把鎖對(duì)象的Mark Word在兩個(gè)線(xiàn)程的棧幀中各復(fù)制一份，叫做Displaced Mark Word，將當(dāng)前線(xiàn)程A的Lock Record的地址使用CAS放到鎖對(duì)象的Mark Word當(dāng)中，并且將鎖的標(biāo)識(shí)設(shè)置為00，意味著當(dāng)前線(xiàn)程A獲取到輕量級(jí)鎖，可以進(jìn)入到臨界區(qū)執(zhí)行。

線(xiàn)程B沒(méi)有獲取到鎖，但不阻塞，JVM會(huì)讓他自旋幾次，等待一會(huì)兒，當(dāng)線(xiàn)程A退出了臨界區(qū)釋放鎖的時(shí)候，需要將Displaced Mark Word使用CAS復(fù)制回去，接下來(lái)線(xiàn)程B就可以通過(guò)CAS復(fù)制信息。這個(gè)時(shí)候兩個(gè)線(xiàn)程就可以交替進(jìn)入臨界區(qū)，執(zhí)行代碼。偏向鎖即使出現(xiàn)了競(jìng)爭(zhēng)，想獲取鎖只要自旋幾次，等待一會(huì)，鎖就可以是釋放，使用CAS和Lock Record就可以避免重量級(jí)鎖的開(kāi)銷(xiāo)。

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優(yōu)點(diǎn)：絕大部分的鎖在整個(gè)生命周期中都存在少量競(jìng)爭(zhēng)，在多線(xiàn)程交替執(zhí)行同步代碼塊是可以避免重量級(jí)鎖引起的性能問(wèn)題。

（5）重量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖在運(yùn)行時(shí)，線(xiàn)程A正在持有鎖，另一個(gè)線(xiàn)程B自旋了好多次，線(xiàn)程A還沒(méi)有釋放鎖，這個(gè)時(shí)候JVM考慮自旋次數(shù)太多浪費(fèi)CPU資源，就需要將鎖升級(jí)為重量級(jí)鎖，重量級(jí)鎖需要操作系統(tǒng)的介入，依賴(lài)操作系統(tǒng)底層的mutex lock，JVM會(huì)創(chuàng)建一個(gè)monitor對(duì)象，把這個(gè)對(duì)象的地址信息更新到Mark Word中，并將鎖標(biāo)志置為10。

線(xiàn)程A還在持有鎖運(yùn)行，線(xiàn)程B直接掛起，線(xiàn)程進(jìn)入阻塞，釋放掉占用的CPU資源。