聊聊并发（二）Java SE1.6中的Synchronized

##引言## 在多线程并发编程中Synchronized一直是元老级角色，不少人都会称呼它为重量级锁，可是随着Java SE1.6对Synchronized进行了各类优化以后，有些状况下它并不那么重了，本文详细介绍了Java SE1.6中为了减小得到锁和释放锁带来的性能消耗而引入的偏向锁和轻量级锁，以及锁的存储结构和升级过程。 ##术语定义## CAS：Compare and Swap，比较并设置。用于在硬件层面上提供原子性操做。在 Intel 处理器中，比较并交换经过指令cmpxchg实现。比较是否和给定的数值一致，若是一致则修改，不一致则不修改。 ##同步的基础## Java中的每个对象均可以做为锁。 （1）对于同步方法，锁是当前实例对象。 （2）对于静态同步方法，锁是当前对象的Class对象。 （3）对于同步方法块，锁是Synchonized括号里配置的对象。 当一个线程试图访问同步代码块时，它首先必须获得锁，退出或抛出异常时必须释放锁。那么锁存在哪里呢？锁里面会存储什么信息呢？ ##同步的原理## JVM规范规定JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，但二者的实现细节不同。代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现，而方法同步是使用另一种方式实现的，细节在JVM规范里并无详细说明，可是方法的同步一样可使用这两个指令来实现。monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处， JVM要保证每一个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。任何对象都有一个 monitor 与之关联，当且一个monitor 被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到 monitorenter 指令时，将会尝试获取对象所对应的 monitor 的全部权，即尝试得到对象的锁。 ###Java对象头### 锁存在Java对象头里。若是对象是数组类型，则虚拟机用3个Word（字宽）存储对象头，若是对象是非数组类型，则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中，一字宽等于四字节，即32bit。

Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode，分代年龄和锁标记位。32位JVM的Mark Word的默认存储结构以下：

在运行期间Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word可能变化为存储如下4种数据：

在64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的，其存储结构以下：

###锁的升级### Java SE1.6为了减小得到锁和释放锁所带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，因此在Java SE1.6里锁一共有四种状态，无锁状态，偏向锁状态，轻量级锁状态和重量级锁状态，它会随着竞争状况逐渐升级。锁能够升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提升得到锁和释放锁的效率，下文会详细分析。

###偏向锁### Hotspot的做者通过以往的研究发现大多数状况下锁不只不存在多线程竞争，并且老是由同一线程屡次得到，为了让线程得到锁的代价更低而引入了偏向锁。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，之后该线程在进入和退出同步块时不须要花费CAS操做来加锁和解锁，而只需简单的测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁，若是测试成功，表示线程已经得到了锁，若是测试失败，则须要再测试下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁），若是没有设置，则使用CAS竞争锁，若是设置了，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，因此当其余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，须要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，而后检查持有偏向锁的线程是否活着，若是线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态，若是线程仍然活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么从新偏向于其余线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合做为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。下图中的线程1演示了偏向锁初始化的流程，线程2演示了偏向锁撤销的流程。

关闭偏向锁：偏向锁在Java 6和Java 7里是默认启用的，可是它在应用程序启动几秒钟以后才激活，若有必要可使用JVM参数来关闭延迟-XX：BiasedLockingStartupDelay = 0。若是你肯定本身应用程序里全部的锁一般状况下处于竞争状态，能够经过JVM参数关闭偏向锁-XX:-UseBiasedLocking=false，那么默认会进入轻量级锁状态。

###轻量级锁### 轻量级锁加锁：线程在执行同步块以前，JVM会先在当前线程的栈桢中建立用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。而后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。若是成功，当前线程得到锁，若是失败，表示其余线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。 轻量级锁解锁：轻量级解锁时，会使用原子的CAS操做来将Displaced Mark Word替换回到对象头，若是成功，则表示没有竞争发生。若是失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。下图是两个线程同时争夺锁，致使锁膨胀的流程图。 由于自旋会消耗CPU，为了不无用的自旋（好比得到锁的线程被阻塞住了），一旦锁升级成重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下，其余线程试图获取锁时，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁以后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。

##锁的优缺点对比##