前提承接

针对于之前两篇关于 synchronized 的文章，主要介绍关于 synchronized 在字节码中的实现方式和表现形式（同步代码块和同步方法）Java并发编程专题系列之深入分析synchronized（基础篇）以及先关针对于同步锁的实现原理比如 ObjectMonitor 的数据结构以及等待队列和同步队列等Java并发编程专题系列之深入分析synchronized（进阶篇），本文主要介绍针对于在执行角度包含对象锁的结构（标记字段的状态）和相关加锁过程进行相关的流程梳理以及对前两章的总结。

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（32bitOS->8bit 大小、64bitOS->16bit 大小）。

• 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）的所表示的对象状态（包含了锁的类型），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。

轻量级锁

现代 JVM 都引入了轻量级锁

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。

轻量级锁的加锁过程

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）。

轻量级锁加锁前：

轻量级锁加锁后：

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 mark，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

• 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轻量级锁定状态。

• 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）。