synchronized原理及优化，（自旋锁，锁消除，锁粗化，偏向锁，轻量级锁）

偏向锁：不占用CPU
自旋锁：占用CPU。代码执行成本比较低且线程数少时，可以使用 。不经过OS。内核态，效率偏低

理解Java对象头与Monitor

在JVM中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头、实例数据和对齐填充。如下：

实例变量：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息，如果是数组的实例部分还包括数组的长度，这部分内存按4字节对齐。

填充数据：由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐。

而对于顶部，则是Java头对象，它实现synchronized的锁对象的基础，这点我们重点分析它，一般而言，synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里的，jvm中采用2个字来存储对象头(如果对象是数组则会分配3个字，多出来的1个字记录的是数组长度)，其主要结构是由Mark Word 和 Class Metadata Address 组成，其结构说明如下表：

其中Mark Word在默认情况下存储着对象的HashCode、分代年龄、锁标记位等以下是32位JVM的Mark Word默认存储结构

由于对象头的信息是与对象自身定义的数据没有关系的额外存储成本，因此考虑到JVM的空间效率，Mark Word 被设计成为一个非固定的数据结构，以便存储更多有效的数据，它会根据对象本身的状态复用自己的存储空间，如32位JVM下，除了上述列出的Mark Word默认存储结构外，还有如下可能变化的结构：

其中轻量级锁和偏向锁是Java 6对 synchronized 锁进行优化后新增加的，稍后我们会简要分析。这里我们主要分析一下重量级锁也就是通常说synchronized的对象锁，锁标识位为10，其中指针指向的是monitor对象（也称为管程或监视器锁）的起始地址。每个对象都存在着一个 monitor 与之关联，对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式，如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态。

先来举个例子，然后我们在上源码。我们可以把监视器理解为包含一个特殊的房间的建筑物，这个特殊房间同一时刻只能有一个客人（线程）。这个房间中包含了一些数据和代码。

如果一个顾客想要进入这个特殊的房间，他首先需要在走廊（Entry Set）排队等待。调度器将基于某个标准（比如 FIFO）来选择排队的客户进入房间。如果，因为某些原因，该客户暂时因为其他事情无法脱身（线程被挂起），那么他将被送到另外一间专门用来等待的房间（Wait Set），这个房间的可以可以在稍后再次进入那件特殊的房间。如上面所说，这个建筑屋中一共有三个场所。

总之，监视器是一个用来监视这些线程进入特殊的房间的。他的义务是保证（同一时间）只有一个线程可以访问被保护的数据和代码。
Monitor其实是一种同步工具，也可以说是一种同步机制，它通常被描述为一个对象，主要特点是：

对象的所有方法都被“互斥”的执行。好比一个Monitor只有一个运行“许可”，任一个线程进入任何一个方法都需要获得这个“许可”，离开时把许可归还。
通常提供singal机制：允许正持有“许可”的线程暂时放弃“许可”，等待某个谓词成真（条件变量），而条件成立后，当前进程可以“通知”正在等待这个条件变量的线程，让他可以重新去获得运行许可。
监视器的实现
在Java虚拟机(HotSpot)中，Monitor是基于C++实现的，由ObjectMonitor实现的，其主要数据结构如下：

ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0;
_waiters = 0,
_recursions = 0;
_object = NULL;
_owner = NULL;
_WaitSet = NULL;
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ;
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ;
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
}
ObjectMonitor中有几个关键属性：

_owner：指向持有ObjectMonitor对象的线程

_WaitSet：存放处于wait状态的线程队列

_EntryList：存放处于等待锁block状态的线程队列

_recursions：锁的重入次数

_count：用来记录该线程获取锁的次数

当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入_EntryList队列中，当某个线程获取到对象的monitor后进入_Owner区域并把monitor中的_owner变量设置为当前线程，同时monitor中的计数器_count加1。即获得对象锁。

若持有monitor的线程调用wait()方法，将释放当前持有的monitor，_owner变量恢复为null，_count自减1，同时该线程进入_WaitSet集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)。如下图所示

ObjectMonitor类中提供了几个方法：

获得锁
void ATTR ObjectMonitor::enter(TRAPS) {
Thread * const Self = THREAD ;
void * cur ;
//通过CAS尝试把monitor的`_owner`字段设置为当前线程
cur = Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_owner, NULL) ;
//获取锁失败
if (cur == NULL) { assert (_recursions == 0 , "invariant") ;
assert (_owner == Self, "invariant") ;
// CONSIDER: set or assert OwnerIsThread == 1
return ;
}
//如果旧值和当前线程一样，说明当前线程已经持有锁，此次为重入，_recursions自增，并获得锁。
if (cur == Self) {
// TODO-FIXME: check for integer overflow! BUGID 6557169.
_recursions ++ ;
return ;
}
//如果当前线程是第一次进入该monitor，设置_recursions为1，_owner为当前线程
if (Self->is_lock_owned ((address)cur)) {
assert (_recursions == 0, "internal state error");
_recursions = 1 ;
// Commute owner from a thread-specific on-stack BasicLockObject address to
// a full-fledged "Thread *".
_owner = Self ;
OwnerIsThread = 1 ;
return ;
}
//省略部分代码。
//通过自旋执行ObjectMonitor::EnterI方法等待锁的释放
for (;;) {
jt->set_suspend_equivalent();
// cleared by handle_special_suspend_equivalent_condition()
// or java_suspend_self()
EnterI (THREAD) ;
if (!ExitSuspendEquivalent(jt)) break ;
//
// We have acquired the contended monitor, but while we were
// waiting another thread suspended us. We don't want to enter
// the monitor while suspended because that would surprise the
// thread that suspended us.
//
_recursions = 0 ;
_succ = NULL ;
exit (Self) ;
jt->java_suspend_self();
}
}

释放锁
void ATTR ObjectMonitor::exit(TRAPS) {
Thread * Self = THREAD ;
//如果当前线程不是Monitor的所有者
if (THREAD != _owner) {
if (THREAD->is_lock_owned((address) _owner)) { //
// Transmute _owner from a BasicLock pointer to a Thread address.
// We don't need to hold _mutex for this transition.
// Non-null to Non-null is safe as long as all readers can
// tolerate either flavor.
assert (_recursions == 0, "invariant") ;
_owner = THREAD ;
_recursions = 0 ;
OwnerIsThread = 1 ;
} else {
// NOTE: we need to handle unbalanced monitor enter/exit
// in native code by throwing an exception.
// TODO: Throw an IllegalMonitorStateException ?
TEVENT (Exit - Throw IMSX) ;
assert(false, "Non-balanced monitor enter/exit!");
if (false) {
THROW(vmSymbols::java_lang_IllegalMonitorStateException());
}
return;
}
}
//如果_recursions次数不为0.自减
if (_recursions != 0) {
_recursions--; // this is simple recursive enter
TEVENT (Inflated exit - recursive) ;
return ;
}

省略部分代码，根据不同的策略（由QMode指定），从cxq或EntryList中获取头节点，通过ObjectMonitor::ExitEpilog方法唤醒该节点封装的线程，唤醒操作最终由unpark完成。

由此看来，monitor对象存在于每个Java对象的对象头中(存储的指针的指向)，synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因，同时也是notify/notifyAll/wait等方法存在于顶级对象Object中的原因，在使用这3个方法时，必须处于synchronized代码块或者synchronized方法中，否则就会抛出IllegalMonitorStateException异常，这是因为调用这几个方法前必须拿到当前对象的监视器monitor对象，也就是说notify/notifyAll和wait方法依赖于monitor对象，在前面的分析中，我们知道monitor 存在于对象头的Mark Word 中(存储monitor引用指针)，而synchronized关键字可以获取 monitor ，这也就是为什么notify/notifyAll和wait方法必须在synchronized代码块或者synchronized方法调用的原因。下面我们将进一步分析synchronized在字节码层面的具体语义实现。

synchronized底层原理
public class SynchronizedDemo {
//同步方法
public synchronized void doSth(){
System.out.println("Hello World");
}

//同步代码块
public void doSth1(){
synchronized (SynchronizedDemo.class){
System.out.println("Hello World");
}
}
}
被synchronized修饰的代码块及方法，在同一时间，只能被单个线程访问。

synchronized的实现原理

synchronized，是Java中用于解决并发情况下数据同步访问的一个很重要的关键字。当我们想要保证一个共享资源在同一时间只会被一个线程访问到时，我们可以在代码中使用synchronized关键字对类或者对象加锁。
我们对上面的代码进行反编译，可以得到如下代码：

public synchronized void doSth();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #3 // String Hello World
5: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return
public void doSth1();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
0: ldc #5 // class com/hollis/SynchronizedTest
2: dup
3: astore_1
4: monitorenter
5: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
8: ldc #3 // String Hello World
10: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
13: aload_1
14: monitorexit
15: goto 23
18: astore_2
19: aload_1
20: monitorexit
21: aload_2
22: athrow
23: return
通过反编译后代码可以看出：对于同步方法，JVM采用ACC_SYNCHRONIZED标记符来实现同步。 对于同步代码块。JVM采用monitorenter、monitorexit两个指令来实现同步。

方法级的同步是隐式的。同步方法的常量池中会有一个ACC_SYNCHRONIZED标志。当某个线程要访问某个方法的时候，会检查是否有ACC_SYNCHRONIZED，如果有设置，则需要先获得监视器锁，然后开始执行方法，方法执行之后再释放监视器锁。这时如果其他线程来请求执行方法，会因为无法获得监视器锁而被阻断住。值得注意的是，如果在方法执行过程中，发生了异常，并且方法内部并没有处理该异常，那么在异常被抛到方法外面之前监视器锁会被自动释放。

同步代码块使用monitorenter和monitorexit两个指令实现。可以把执行monitorenter指令理解为加锁，执行monitorexit理解为释放锁。 每个对象维护着一个记录着被锁次数的计数器。未被锁定的对象的该计数器为0，当一个线程获得锁（执行monitorenter）后，该计数器自增变为 1 ，当同一个线程再次获得该对象的锁的时候，计数器再次自增。当同一个线程释放锁（执行monitorexit指令）的时候，计数器再自减。当计数器为0的时候。锁将被释放，其他线程便可以获得锁。

无论是ACC_SYNCHRONIZED还是monitorenter、monitorexit都是基于Monitor实现的，在Java虚拟机(HotSpot)中，Monitor是基于C++实现的，由ObjectMonitor实现。

ObjectMonitor类中提供了几个方法，如enter、exit、wait、notify、notifyAll等。sychronized加锁的时候，会调用objectMonitor的enter方法，解锁的时候会调用exit方法。sychronized加锁的时候，会调用objectMonitor的enter方法，解锁的时候会调用exit方法。事实上，只有在JDK1.6之前，synchronized的实现才会直接调用ObjectMonitor的enter和exit，这种锁被称之为重量级锁。为什么说这种方式操作锁很重呢？

Java的线程是映射到操作系统原生线程之上的，如果要阻塞或唤醒一个线程就需要操作系统的帮忙，这就要从用户态转换到核心态，因此状态转换需要花费很多的处理器时间，对于代码简单的同步块（如被synchronized修饰的get 或set方法）状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长，所以说synchronized是java语言中一个重量级的操纵。

所以，在JDK1.6中出现对锁进行了很多的优化，进而出现轻量级锁，偏向锁，锁消除，适应性自旋锁，锁粗化(自旋锁在1.4就有 只不过默认的是关闭的，jdk1.6是默认开启的)，这些操作都是为了在线程之间更高效的共享数据，解决竞争问题。

Java虚拟机对synchronized的优化
锁的状态总共有四种，无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁，但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级，关于重量级锁，前面我们已详细分析过，下面我们将介绍偏向锁和轻量级锁以及JVM的其他优化手段。

自旋锁与自适应自旋
 

前面我们讨论互斥同步的时候，提到了互斥同步对性能最大的影响是阻塞的实现，挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给系统的并发性能带来了很大的压力。同时，虚拟机的开发团队也注意到在许多应用上，共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间，为了这段时间去挂起和恢复线程并不值得。如果物理机器有一个以上的处理器，能让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面请求锁的那个线程“稍等一 下”，但不放弃处理器的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。为了让线程等待，我们只需让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁。

自旋锁在JDK 1.4.2中就已经引入，只不过默认是关闭的，可以使用 :XX:+UseSpinning 参数来开启，在JDK 1.6 中就已经改为默认开启了。自旋等待不能代替阻塞，且先不说对处理器数量的要求，自旋等待本身虽然避免了线程切换的开销，但它是要占用处理器时间的，因此，如果锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就会非常好，反之，如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源，而不会做任何有用的工作，反而会带来性能上的浪费。因此，自旋等待的时间必须要有一定的限度，如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁，就应当使用传统的方式去挂起线程了。自旋次数的默认值是 10 次，用户可以使用参数-XX:PreBlockSpin 来更改。

在JDK 1.6中引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的时间不再固定了，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间，比如100个循环。另外，如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后要获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，以避免浪费处理部资源。有了自适应自旋，随着程序运行和性能监控信息的不断完善，虚拟机对程序锁的状况预测就会越来越准确。虚拟机就会变得越来越 “聪明” 了。

锁消除
锁消除是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要判定依据来源于逃逸分析的数据支持，如果判断在一段代码中，堆上的所有数据都不会逃逸出去从而被其他线程访问到，那就可以把它们当做栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须进行。

也许读者会有疑问，变量是否逃逸，对于虚拟机来说需要使用数据流分析来确定，但是程序员自己所该是很清楚的，怎么会在明知道不存在数据争用的情况下要求同步呢？答案是有许多同步措施并不是程序员自己加入的，同步的代码在Java程序中的普遍程度也许超过了 大部分读者的想象。我们来看看下面代码中的例子，这段非常简单的代码仅仅是输出 3 个字符串相加的结果，无论是源码字面上还是程序语义上都没有同步。

我们也知道，由于 String 是一个不可变的类，对字符串的连接操作总是通过生成新的String 对象来进行的，因此 Javac 编译器会对 String 连接做自动优化。在 JDK 1.5 之前，会转化为 StringBuffer 对象的连续 append（）操作，在JDK 1.5及以后的版本中，会转化为 StringBuilder 对象的连续 append（）操作，上述代码可能会变成下面的样子。

现在大家还认为这段代码没有涉及同步吗？每个StringBuffer.append（） 方法中都有一个同步块，锁就是 sb 对象。虚拟机观察变量sb，很快就会发现它的动态作用域被限制在 concatString（） 方法内部。也就是说，sb 的所有引用永远不会 “逃逸” 到 concatString（）方法之外，其他线程无法访问到它，因此，虽然这里有锁，但是可以被安全地消除掉，在即时编译之后，这段代码就会忽略掉所有的同步而直接执行了。

锁粗化

原则上，我们在编写代码的时候，总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小，只在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小，如果存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快拿到锁。

大部分情况下，上面的原则都是正确的，但是如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，那即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。

上述代码中连续的append（）方法就属于这类情况。如果虚拟机探测到有这样一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁同步的范围扩展 （粗化）到整个操作序列的外部，以上述代码为例，就是扩展到 append（）操作外部，也就是把while循环加锁，这样只需要加锁一次就可以了。

轻量级锁

倘若偏向锁失败，虚拟机并不会立即升级为重量级锁，它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的)，此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争”，注意这是经验数据。需要了解的是，轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

轻盘级锁是JDK1.6之中加入的新型锁机制，它名字中的 “轻量级” 是相对于使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的，因此传统的锁机制就称为 “重量级” 锁。首先需要强调一点的是，轻量级锁并不是用来代替重量级锁的，它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。

在代码进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定（锁标志位为“01”状态），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的 Mark Word 的拷贝 （官方把这份拷贝加了一个 Displaced 前辙，即Displaced Mark Word ），这时候线程堆栈与对象头的状态如图所示。

然后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的 Mark Word 更新为指向 Lock Record 的指针。如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象 Mark Word 的锁标志位（Mark Word 的最后 2bit ）将转变为 “00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态，这时候线程堆栈与对象头的状态如图所示。

如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word 中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后而等待锁的线程也要进入阻塞状态。

上而描述的是轻量级锁的加锁过程，它的解锁过程也是通过CAS操作来进行的，如果对象的 Mark Word 仍然指向着线程的锁记录，那就用 CAS 操作把对象当前的 Mark Word 和 线程中复制的 Displaced Mark Word 替换回来，如果替换成功，越个同步过程就完成了。如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

轻量级锁能提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”，这是一个经验数据。如果没有竞争，轻量级锁使用 CAS 操作避免了使用互斥量的开销，但如果存在锁竞争，除了互斥量的开销外，还额外发生了 CAS 操作，因此在有竞争的情况下，轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。

偏向锁

偏向锁是Java 6之后加入的新锁，它是一种针对加锁操作的优化手段，经过研究发现，在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能。所以，对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果，毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就失效了，因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的，因此这种场合下不应该使用偏向锁，否则会得不偿失，需要注意的是，偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。

偏向锁的目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语，进一步提高程序的运行性能。如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉，连 CAS 操作都不做了。

偏向锁的“偏”，就是偏心的 “偏”、偏袒的 “偏”，它的意思是这个锁会偏向于第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。

如果读者读懂了前面轻量级锁中关于对象头Mark Word与线程之间的操作过程，那偏向锁的原理理解起来就会很简单。假设当前虚拟机启用了偏向（启用参数-XX:+UseBiasedLocking，这是 JDK 1.6 的默认值），那么，当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机将会把对象头中的标志位设为 “01 ”，即偏向模式。同时使用 CAS 操作把获取到这个锁的线程的 ID记录在对象的 Mark Word 之中，如果 CAS 操作成功，持有偏向锁的钱程以后每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机都可以不再进行任何同步操作（例如 Locking 、Unlocking 及对 Mark Word的Update 等）。

当有另外一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式就宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，撤销偏向（Revoke Bias）后恢复到未锁定（标志位为“01”） 或轻量级锁定（标志位为 “00”）的状态，后续的同步操作就如上面介绍的轻量级锁那样执行。偏向锁、 轻量级锁的状态转化及对象 Mark Word 的关系如图所示。

同步但无竞争的程序性能。它同样是一个带有效益权衡（Trade Off）性质的优化，也就是说，它并不一定总是对程序运行有利，如果程序中大多数的锁总是被多个不同的线程访问，那偏向模式就是多余的。在具体问题具体分析的前提下，有时候使用参数XX:-UseBiasedLocking来禁止偏向锁优化反而可以提升性能。

锁的内存语义：
总结：

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