一或辖、前言

在 多線程知識梳理(2) - synchronized 基本使用 中者填，我們介紹了使用重量鎖來實現(xiàn)的synchronized刻伊。今天训堆，我們就來一起學(xué)習(xí)一下在JDK 1.6之后描验，對synchronized所采取的一系列優(yōu)化措施。

二坑鱼、對象頭 & Monitor Record

在介紹優(yōu)化方法之前膘流，我們需要介紹兩個重要的概念Java對象頭和Monitor：

2.1 對象頭

在 Java&Android 基礎(chǔ)知識梳理(3) - 內(nèi)存區(qū)域 中介紹內(nèi)存區(qū)域的時候，對于一個Java對象所占的內(nèi)存區(qū)域是這么介紹的：

2.2 Monitor Record

Monitor是線程私有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由于一個線程可能進入多個不同的同步方法阐枣，這些方法有可能會關(guān)聯(lián)到不同的Monitor马靠，因此每一個線程都有一個可用的Monitor列表奄抽，同時還有一個全局的可用列表，Monitor數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括以下成員變量：

• Owner：初始時為空表示當(dāng)前沒有任何線程擁有該Monitor甩鳄，當(dāng)線程成功擁有該鎖后保存線程唯一標識逞度，當(dāng)鎖被釋放時又設(shè)置為空。
• EntryQ：關(guān)聯(lián)一個系統(tǒng)互斥鎖妙啃，阻塞所有試圖獲得Monitor但是最終失敗了的線程档泽。
• RcThis：表示blocked或waiting在該Monitor上的所有線程的個數(shù)。
• Nest：用來實現(xiàn)重入鎖的計數(shù)揖赴。
• HashCode：保存從對象頭拷貝過來的HashCode值馆匿。
• Candidate：用來避免不必要的阻塞或等待線程喚醒，因為每一次只有一個線程能夠成功擁有鎖燥滑，如果每次前一個釋放鎖的線程喚醒所有正在阻塞或等待的線程渐北，會引起不必要的上下文切換（從阻塞到就緒然后因為競爭鎖失敗又被阻塞）從而導(dǎo)致性能嚴重下降。Candidate只有兩種可能的值：0表示沒有需要喚醒的線程铭拧，1表示要喚醒一個繼任線程來競爭鎖赃蛛。

三、實現(xiàn)優(yōu)化

在JDK 1.6之后搀菩，它對于鎖進行了一系列的優(yōu)化措施呕臂，主要包括：自適應(yīng)自旋鎖、鎖消除和鎖粗化肪跋。

3.1 自旋鎖

由于線程的阻塞和喚醒需要CPU從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換成核心態(tài)歧蒋，而頻繁的阻塞和喚醒對CPU來說是一件負擔(dān)很重的工作。

因此州既，我們在發(fā)現(xiàn)鎖已經(jīng)被其它線程占有時谜洽，并不直接讓當(dāng)前線程進入阻塞狀態(tài)，而是讓線程執(zhí)行一段無意義的循環(huán)易桃，待循環(huán)結(jié)束后褥琐，如何仍然無法獲取到鎖，那么才進入阻塞狀態(tài)晤郑。

決定自旋鎖性能的關(guān)鍵在于自旋次數(shù)的選擇敌呈，在JDK 1.6之后，引入了自適應(yīng)自旋鎖造寝，它會根據(jù)前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定新的自旋次數(shù)磕洪。

3.2 鎖消除

當(dāng)JVM檢測到不可能存在共享數(shù)據(jù)競爭，會對同步鎖進行鎖消除诫龙。

3.3 鎖粗化

在使用同步鎖的時候析显，需要讓同步塊的作用范圍盡可能地小，僅在共享數(shù)據(jù)的實際作用域中才進行同步签赃，這樣做的目的是為了使需要同步的操作數(shù)量盡可能縮小谷异，如果存在鎖競爭分尸，那么等待鎖的線程也能盡快拿到鎖。

然而歹嘹，如果一系列連續(xù)加鎖解鎖操作箩绍，可能會導(dǎo)致不必要的性能損耗，所以有時可以將多個連續(xù)的加鎖尺上、解鎖操作連接在一起材蛛，擴展成一個范圍更大的鎖。

四怎抛、狀態(tài)優(yōu)化

在JDK 1.6之前卑吭，鎖只有兩種狀態(tài)：無鎖狀態(tài)和重量級鎖狀態(tài)，而在這之后增加為四種狀態(tài)：無鎖狀態(tài)马绝、偏向鎖狀態(tài)豆赏、輕量級鎖狀態(tài)、重量級鎖狀態(tài)迹淌，這種改進基于兩點考慮：

• 無鎖狀態(tài)和重量級鎖狀態(tài)之間的切換是依賴于底層操作系統(tǒng)的Mutex Lock實現(xiàn)河绽，操作系統(tǒng)實現(xiàn)線程之間的切換需要從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，切換成本很高唉窃。
• 實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于絕大部分的鎖纹笼，在整個生命周期內(nèi)都是不存在競爭的纹份。

需要注意，對于鎖的這四種狀態(tài)廷痘，它們會隨著競爭的激烈而逐漸升級蔓涧，但是它只允許鎖升級，不允許鎖降級笋额。

無鎖狀態(tài)和重量級鎖狀態(tài)都比較好理解元暴，下面我們主要介紹新增的兩種鎖狀態(tài)：偏向鎖狀態(tài)和輕量級鎖狀態(tài)。

整個轉(zhuǎn)換的流程圖如下所示兄猩，在后面的介紹中可以參考：

4.1 偏向鎖狀態(tài)

引入偏向鎖的目的是：在無多線程競爭的情況下茉盏，盡量減少不必要的輕量級鎖執(zhí)行路徑，它的理想情況下是在無競爭時把整個同步都去掉枢冤，連CAS操作都省略鸠姨。

偏向鎖的意思是這個鎖會偏向于第一個獲得它的線程，如果在接下來的執(zhí)行過程中淹真，該鎖沒有被其它線程獲取讶迁，則持有偏向鎖的線程將永遠不需要再進行同步。

4.1.1 獲取偏向鎖

(a) 前提條件

獲取偏向鎖的前提條件是synchronized所修飾的對象處于可偏向狀態(tài)

• 鎖狀態(tài)為01
• 偏向鎖狀態(tài)為1

(b) 獲取過程

當(dāng)滿足前提條件時核蘸，再去判斷對象的Mark Word中的線程ID是否指向當(dāng)前線程

• 如果不指向當(dāng)前線程巍糯，那么通過CAS操作競爭鎖
  • 競爭成功：將Mark Word的線程ID替換為當(dāng)前線程ID啸驯，接著執(zhí)行同步代碼塊
  • 競爭失敗：證明存在多線程競爭的情況祟峦，當(dāng)?shù)竭_全局安全點坯汤，獲得偏向鎖的線程被掛起，偏向鎖升級為輕量級鎖搀愧，然后被阻塞在安全點的線程繼續(xù)往下執(zhí)行同步代碼塊
• 如果指向當(dāng)前線程惰聂，那么執(zhí)行同步代碼塊

4.1.2 釋放偏向鎖

(a) 前提條件

釋放偏向鎖的前提條件是其它的線程在競爭偏向鎖的過程中出現(xiàn)了失敗的情況，并且偏向鎖的釋放需要等待到達全局安全點咱筛。

(b) 釋放過程

當(dāng)滿足釋放偏向鎖的前提條件時搓幌，首先會暫停擁有偏向鎖的線程，接著判斷鎖對象是否處于被鎖定的狀態(tài)迅箩，決定鎖標志位下一步的狀態(tài)：

• 如果未被鎖定溉愁，那么將鎖標志至為01，偏向鎖狀態(tài)置為0饲趋，表示它處于無鎖拐揭，且不可偏向狀態(tài)。
• 如果已經(jīng)被鎖定奕塑，那么將鎖標志置為00堂污，表示它處于被輕量級鎖定的狀態(tài)。

4.2 輕量級鎖狀態(tài)

引入輕量級鎖的目的是：在無多線程競爭的情況下龄砰，減少傳統(tǒng)的重量級鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能消耗盟猖。

4.2.1 獲取輕量級鎖

(a) 前提條件

獲取輕量級鎖的前提條件時當(dāng)前對象處于無鎖狀態(tài)，

• 鎖狀態(tài)標志位為01
• 偏向鎖標志位為0

(b) 獲取過程

JVM首先將在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個名為鎖記錄（Lock Record）的空間换棚，用于存儲對象目前的Mark Word的拷貝式镐，之后JVM利用CAS操作嘗試將對象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針：

• 操作成功：將鎖標志置為00，表示處于鎖定的狀態(tài)固蚤，之后執(zhí)行同步操作娘汞。
• 操作失敗：那么檢查對象的Mark Word是否指向當(dāng)前線程的棧針
• 如果是夕玩，則直接執(zhí)行同步代碼塊
• 如果不是你弦，說明該鎖對象已經(jīng)被其他線程搶占了，此時輕量級鎖升級為重量鎖风秤，鎖標志位變?yōu)?code>10鳖目，后面等待的線程將會進入阻塞狀態(tài)。

4.2.2 釋放輕量級鎖

(a) 釋放過程

輕量級鎖的釋放也是通過CAS操作來進行的：

• 取出在獲取輕量級鎖時缤弦，保存在Displaced Mark Word中的數(shù)據(jù)领迈。
• 用CAS操作將取出的數(shù)據(jù)替換到當(dāng)前對象的Mark Word中：
• 如果成功，則說明釋放鎖成功
• 如果失敗，說明有其它線程嘗試獲取該鎖狸捅，那么需要在釋放鎖的同時衷蜓，喚醒需要被喚醒的線程

對于輕量級鎖，它性能提升的依據(jù)是默認"對于絕大部分的鎖尘喝，在整個生命周期內(nèi)是不會存在競爭的"磁浇，如果不符合這種情況，那么除了互斥的開銷外朽褪，還有額外的CAS操作置吓，這樣輕量級鎖比重量級鎖更慢。

五缔赠、參考文章

Java 并發(fā)編程：Synchronized 底層優(yōu)化（偏向鎖衍锚、輕量級鎖）
死磕 Java 并發(fā) -----深入分析 synchronized 的實現(xiàn)原理
深入理解 Java 鎖與線程阻塞