Java并发机制的底层实现原理（synchronized）

synchronized 一般称之为重量级锁，在Java1.6中对 synchronized 进行了各种优化，在有些情况下它并不那么重了。

利用synchronized实现同步的基础

在Java中每一个对象都可以作为锁。具体有以下3中形式：

• 对于普通同步方法，锁是当前实例对象。
• 对于静态同步方法，锁是当前类的 Class 对象。
• 对于同步方法块，锁是 synchronized 括号里配置的对象。

当一个线程试图访问同步代码块时，它首先必须得到锁，退出或抛出异常时必须释放锁。

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Java对象头

synchronized 用的锁是存储在Java对象头里的。如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字宽（Word）存储对象头，如果是非数组对象类型，则用2个字宽存储对象头。

关于Java对象头，参见：Java对象头详解

Java对象头里的 Mark Word 里默认存储对象的 HashCode、分代年龄、是否是偏向锁 和 锁标志位。32位JVM的 Mark Word的默认存储结构如下：

锁状态	25bit	4bit	1bit是否是偏向锁	2bit锁标志位
无锁状态	对象的hashCode值	对象分代年龄	0	01
无锁状态	线程ID、Epoch	对象分代年龄	1	01

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锁的升级与对比

从Java1.6开始，为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”、“轻量级锁”。共有4中状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态 和 重量级锁状态，状态随着竞争激烈逐渐升级。

1.偏向锁

偏向锁的获得

当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程进入和退出同步块时不需要进行 CAS 操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的 Mark Word 里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果存储，则表示线程已经获得了锁。如果没有存储，则需要再测试一下 Mark Word 中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁）：如果没有设置，则使用 CAS 竞争锁；如果已设置，则尝试使用 CAS 将对象头的偏向锁指向当前线程。

偏向锁的撤销

偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。偏向锁的撤销，需要等待 全局安全点（此时间点没有正在执行的字节码），首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程释放存活，如果不存活，则将对象头设置为无锁状态；如果依然存活，拥有偏向锁的栈会被执行，此时栈中的锁记录和对象头的 Mark Word 要么重新偏向其他线程，要么恢复到无锁状态或其他锁状态，最后唤醒暂停的线程。

2.轻量级锁

轻量级锁加锁

1. 线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的 栈帧 中创建用于存储 锁记录（Lock Record） 的空间，并将对象头中的 Mark Word 复制到锁记录中，官方称为 Displaced Mark Word。

2. 然后线程尝试使用 CAS 将对象头中的 Mark Word 替换为指向锁记录的指针。

3. 如果替换成功，则当前线程获得了该对象的锁，并将该对象的 Mark Word 的锁标志位设置为 “00”，表示该对象处于 轻量级锁状态。

4. 如果替换失败，虚拟机首先会检查该对象的 Mark Word 是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经获得了该对象的锁，即可以直接进入同步块继续执行。否则说明其他线程在竞争锁，当前线程便尝试使用 自旋（循环争夺锁） 来获得锁。

轻量级锁解锁

1. 通过 CAS 操作尝试把线程中复制的 Displaced Mark Word 替换回对象头的 Mark Word。

2. 如果替换成功，表示没有发生竞争，整个同步过程就完成了。

3. 如果替换失败，表示有其他线程尝试过获取该锁（此时锁已膨胀成重量级锁），那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

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锁的优缺点对比

锁	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比存在纳秒级的差距	如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗	适用于只有一个线程访问同步块的场景
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度	如果始终得不到锁竞争的线程，使用自旋会消耗CPU	追求响应时间，同步块执行速度非常快
重量级锁	线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU	线程阻塞，响应时间缓慢	追求吞吐量，同步块执行速度较长