synchronized的优化

Java对象头

Java对象头是HotSpot虚拟机中每个对象在内存中都有的元数据结构。对象头的组成主要分为以下几个部分：

MarkWord的结构

32位：

64位：

Monitor的结构

Monitor 被翻译为监视器或管程

每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针

• 刚开始 Monitor 中 Owner 为 null，说明没有人抢锁
• 当 Thread-1 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-1，Monitor中只能有一个 Owner
• 在 Thread-1 上锁的过程中，如果 Thread-2，Thread-3，Thread-4 也来执行 synchronized(obj)，就会进入EntryList BLOCKED
• Thread-1 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争的时是非公平的
• 图中 WaitSet 中的 Thread-5，Thread-6 是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程，需要通过notify、notifyAll来唤醒。

注意：

• synchronized 必须是进入同一个对象的 monitor 才有上述的效果
• 不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

代码同步块是通过使用monitorenter、monitoreexit指令实现的，当线程执行到monitorenter指令的时候，将会尝试获取对象所对应的monitor的使用权，也就是获取到对象的锁。

锁的升级与对比

在Java6中为了减少获取锁和释放锁带来的性能损耗，引入了“偏向锁”和“轻量锁”。

无锁状态、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。

锁可以升级，但是不能降级。

轻量级锁

场景：有一个方法或对象虽然是多线程的，但是岔开时间使用的。

• 创建锁记录（Lock Record），每一个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的Mark Word

• 让锁记录中的Object reference指向锁对象，并且尝试用cas替换Object的mark word，把mark word的内容写入锁中

• 如果 cas 替换成功，对象头中存储了 锁记录地址和状态 00 ，表示由该线程给对象加锁，这时图示如下

• 如果cas失败了，有两种情况

  • 如果是其他线程线程想要来抢锁，就会进入锁膨胀的过程，变为重量级的锁，会为锁对象关联一个monitor对象，争夺monitor的所属权
  • 如果是自己这个线程的锁重入，那就再加一条Lock Record，重入计数+1。

  

• 当退出synchronized代码块的时候，如果有取值为null的锁记录，表示有重入，重制锁记录，重入计数减1。

• 当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头

  • 成功，则解锁成功

  • 失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

轻量级锁膨胀为重量级锁

如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。

• 当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁

• 这时 Thread-1 加轻量级锁失败，Thread -1尝试自旋转获取锁，如果没有获取到，进入锁膨胀状态，升级为重量级锁。

• 然后把自己加入到monitor中的EntryList中进行等待获取锁。
  • Thread -0结束后，会尝试Cas替换Object中的Mark Word，这个时候会发现替换失败，Thread -0就会释放锁，并且通知所有线程可以来抢锁了。

(竞争重量级锁时的)自旋优化

自旋成功：

自旋失败：

• 自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。
• 在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。
• Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

偏向锁

在大多数情况下，锁不仅不存在多线程之间的竞争，而且还总是由同一个线程多次获取到锁，所以，为了让线程获取锁的代价更低就引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取到锁的时候，会在对象头和栈帧中的锁记录里存放锁偏向的线程ID，以后这个线程在进入、退出同步块的时候就不需要进行CAS操作来加锁和解锁吗，只需要看对象头中的Mark Word中是否存储这指向当前线程的偏向锁。

static final Object obj = new Object();

public static void m1() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步块 A
        m2();
    }
}

public static void m2() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步块 B
        m3();
    }
}

public static void m3() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步块 C
    }
}

调用HashCode之后就不会再进入偏向锁状态，因为没地方存HashCode。

总结

如果偏向锁是开启的，并且没有延迟，有延迟的不会刚开始就创建偏向锁

刚开始从无锁状态—>偏向锁的状态

然后如果有有人与偏向锁的持有者进行竞争就会升级会轻量锁

然后从偏向锁状态—>轻量锁

如果继续有人和轻量锁的持有者竞争，一开始会尝试自旋获取锁，因为重量级锁对性能的损耗还是比较大。

如果自旋过程中获取到了锁，就不会升级为重量级的锁

如果自选过程中没有获取到锁，就会升级会重量级别的锁