Synchronized鎖優化

（1）引言

在JDK1.5之前，synchronized的底層實現都是重量級的，借助操作系統底層實現，也稱之為synchronized為重量級鎖，在JDK1.5之后，對Synchronized進行了各種優化，實現的原理是鎖升級的過程，有了偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖的概念。

（2）Java對象的內存布局

在Java中，創建一個對象后，在JVM中，對象在內存中的存儲布局，分為三塊：

• 對象頭區域： 存放鎖信息、對象年齡等信息。
• 實例數據區域： 存儲的是對象的真正有效的信息，比如對象中所有字段內容。
• 對齊填充區域： JVM規定對象的起始地址必須是8字節的整數倍，如果一個對象實際占用的內存大小不是8字節的整數倍，就“補位”到8字節的整數倍，對齊填充區域的大小不是固定的。

synchronized用的鎖是存在對象頭里，如果對象是數組類型，對象頭中還包含了數組長度。

如果是數組類型，則虛擬機使用3個字寬存儲對象頭，如果不是數組類型，則占用2個字寬存儲對象頭，在32位系統下，1字寬等于4字節即32bit位。

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在Java對象頭中Mark Word是默認存儲對象的hashcode，分代年齡和鎖的標記位。32位JVM中Mark Word默認存儲的結構如下圖所示：

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在Java SE1.6中，鎖一共存在4種狀態，級別從低到高依次是：無鎖狀態、偏向鎖狀態、輕量級鎖狀態和重量級鎖狀態，這幾個狀態隨著競爭的情況逐漸升級，鎖是可以升級的但是不能降級，意味著偏向鎖升級成輕量級鎖再升級為重量級鎖，目的是為了提高獲取鎖和釋放鎖的效率。

（3）偏向鎖

偏向鎖的操作是無需操作系統介入的，每個對象都有對象頭，對象頭中的Mark Word區域存儲對象的鎖信息。

該對象頭先處于無鎖狀態，當有線程來訪問，JVM使用CAS操作將線程ID記錄到Mark Word中，修改偏向鎖的標識位，當前線程就擁有了這把鎖

?注意：將線程ID通過CAS記錄，變更偏向鎖標識為1。

JVM不用和操作系統協商設置monitor，只需要記錄下線程ID，就表示當前線程擁有這把鎖，不用操作系統介入獲取鎖的線程就可以進入到程序代碼塊中執行，當線程再次執行時，JVM通過鎖對象的Mark Word判斷，如果當前線程ID還存在，就說明該線程還持有著這個對象的鎖，就直接進入臨界區執行，這個就是偏向鎖，在沒有別的線程競爭的時候，一直偏向當前的線程可以一直執行。

優點：只有一個線程執行同步塊時進一步提高性能，適用于一個線程反復獲取同一個鎖的情況，偏向鎖可以提高帶有同步但無競爭的程序的性能。

（4）輕量級鎖

如果在偏向鎖中一個線程A一直執行過程中，此時又來了另一個線程B要進入代碼塊中執行，但是鎖對象保存的是線程A的線程ID，還是偏向鎖，這時候就導致線程B無法執行，這個時候就需要對偏向鎖進行升級，變成一個輕量級鎖。
JVM把鎖對象恢復成無鎖狀態，在當前的兩個線程的棧幀中各分配一個空間，叫做Lock Record，把鎖對象的Mark Word在兩個線程的棧幀中各復制一份，叫做Displaced Mark Word，將當前線程A的Lock Record的地址使用CAS放到鎖對象的Mark Word當中，并且將鎖的標識設置為00，意味著當前線程A獲取到輕量級鎖，可以進入到臨界區執行。

線程B沒有獲取到鎖，但不阻塞，JVM會讓他自旋幾次，等待一會兒，當線程A退出了臨界區釋放鎖的時候，需要將Displaced Mark Word使用CAS復制回去，接下來線程B就可以通過CAS復制信息。這個時候兩個線程就可以交替進入臨界區，執行代碼。偏向鎖即使出現了競爭，想獲取鎖只要自旋幾次，等待一會，鎖就可以是釋放，使用CAS和Lock Record就可以避免重量級鎖的開銷。

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優點：絕大部分的鎖在整個生命周期中都存在少量競爭，在多線程交替執行同步代碼塊是可以避免重量級鎖引起的性能問題。

（5）重量級鎖

輕量級鎖在運行時，線程A正在持有鎖，另一個線程B自旋了好多次，線程A還沒有釋放鎖，這個時候JVM考慮自旋次數太多浪費CPU資源，就需要將鎖升級為重量級鎖，重量級鎖需要操作系統的介入，依賴操作系統底層的mutex lock，JVM會創建一個monitor對象，把這個對象的地址信息更新到Mark Word中，并將鎖標志置為10。

線程A還在持有鎖運行，線程B直接掛起，線程進入阻塞，釋放掉占用的CPU資源。