最初學(xué)習(xí)Java的時(shí)候榜配，遇到多線程我們會(huì)知道synchronized愿待，對(duì)于當(dāng)時(shí)的我們來(lái)說(shuō)synchronized是保證了多線程之間的同步硝皂，也成為了我們解決多線程情況的常用手段盯另。但是谢床，隨著我們學(xué)習(xí)的進(jìn)行我們知道synchronized是一個(gè)重量級(jí)鎖兄一，相對(duì)于Lock，它會(huì)顯得那么笨重识腿，以至于我們認(rèn)為它不是那么的高效而慢慢摒棄它出革。
但是，隨著Javs SE 1.6對(duì)synchronized進(jìn)行的各種優(yōu)化后渡讼，synchronized并不會(huì)顯得那么重了骂束。下面跟隨LZ一起來(lái)探索synchronized的實(shí)現(xiàn)機(jī)制、Java是如何對(duì)它進(jìn)行了優(yōu)化成箫、鎖優(yōu)化機(jī)制展箱、鎖的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和升級(jí)過(guò)程;
一.synchronized的實(shí)現(xiàn)機(jī)制
Java對(duì)象頭和monitor是實(shí)現(xiàn)synchronized的基礎(chǔ)！下面就這兩個(gè)概念來(lái)做詳細(xì)介紹蹬昌。
1.Java對(duì)象頭:Hotspot虛擬機(jī)的對(duì)象頭主要包括兩部分?jǐn)?shù)據(jù)：Mark Word（標(biāo)記字段）混驰、Klass Pointer（類型指針）。

Klass Point是對(duì)象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機(jī)通過(guò)這個(gè)指針來(lái)確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例;
Mark Word用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)栖榨，如哈希碼（HashCode）竞慢、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志治泥、線程持有的鎖筹煮、偏向線程 ID、偏向時(shí)間戳等等,它是實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)鎖和偏向鎖的關(guān)鍵.

2.什么是Monitor居夹？我們可以把它理解為一個(gè)同步工具败潦，也可以描述為一種同步機(jī)制，它通常被描述為對(duì)象監(jiān)視器准脂。
當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)請(qǐng)求某個(gè)對(duì)象監(jiān)視器時(shí)劫扒，對(duì)象監(jiān)視器會(huì)設(shè)置幾種狀態(tài)用來(lái)區(qū)分請(qǐng)求的線程：

Contention List：所有請(qǐng)求鎖的線程將被首先放置到該競(jìng)爭(zhēng)隊(duì)列
Entry List：Contention List中那些有資格成為候選人的線程被移到Entry List
Wait Set：那些調(diào)用wait方法被阻塞的線程被放置到Wait Set
OnDeck：任何時(shí)刻最多只能有一個(gè)線程正在競(jìng)爭(zhēng)鎖，該線程稱為OnDeck
Owner：獲得鎖的線程稱為Owner
!Owner：釋放鎖的線程
下圖就是多個(gè)線程獲取鎖的示意圖:

image.png

新請(qǐng)求鎖的線程將首先被加入到ConetentionList中狸膏，當(dāng)某個(gè)擁有鎖的線程（Owner狀態(tài)）調(diào)用unlock之后沟饥，如果發(fā)現(xiàn)EntryList為空則從ContentionList中移動(dòng)線程到EntryList，下面說(shuō)明下ContentionList和EntryList的實(shí)現(xiàn)方式：

ContentionList虛擬隊(duì)列

ContentionList并不是一個(gè)真正的Queue湾戳，而只是一個(gè)虛擬隊(duì)列贤旷，原因在于ContentionList是由Node及其next指針邏輯構(gòu)成，并不存在一個(gè)Queue的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)砾脑。ContentionList是一個(gè)先進(jìn)先出（FIFO）的隊(duì)列幼驶，每次新加入Node時(shí)都會(huì)在隊(duì)頭進(jìn)行，通過(guò)CAS改變第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的的指針為新增節(jié)點(diǎn)韧衣，同時(shí)設(shè)置新增節(jié)點(diǎn)的next指向后續(xù)節(jié)點(diǎn)盅藻，而取得操作則發(fā)生在隊(duì)尾。顯然畅铭，該結(jié)構(gòu)其實(shí)是個(gè)Lock-Free的隊(duì)列氏淑。
因?yàn)橹挥蠴wner線程才能從隊(duì)尾取元素，也即線程出列操作無(wú)爭(zhēng)用硕噩，當(dāng)然也就避免了CAS的ABA問(wèn)題假残。

EntryList

EntryList與ContentionList邏輯上同屬等待隊(duì)列，ContentionList會(huì)被線程并發(fā)訪問(wèn)榴徐，為了降低對(duì)ContentionList隊(duì)尾的爭(zhēng)用守问，而建立EntryList。Owner線程在unlock時(shí)會(huì)從ContentionList中遷移線程到EntryList坑资，并會(huì)指定EntryList中的某個(gè)線程（一般為Head）為Ready（OnDeck）線程耗帕。Owner線程并不是把鎖傳遞給OnDeck線程，只是把競(jìng)爭(zhēng)鎖的權(quán)利交給OnDeck袱贮，OnDeck線程需要重新競(jìng)爭(zhēng)鎖仿便。這樣做雖然犧牲了一定的公平性，但極大的提高了整體吞吐量，在Hotspot中把OnDeck的選擇行為稱之為“競(jìng)爭(zhēng)切換”嗽仪。
OnDeck線程獲得鎖后即變?yōu)閛wner線程荒勇，無(wú)法獲得鎖則會(huì)依然留在EntryList中，考慮到公平性闻坚，在EntryList中的位置不發(fā)生變化（依然在隊(duì)頭）沽翔。如果Owner線程被wait方法阻塞，則轉(zhuǎn)移到WaitSet隊(duì)列窿凤；如果在某個(gè)時(shí)刻被notify/notifyAll喚醒仅偎，則再次轉(zhuǎn)移到EntryList。

二.java1.6之后synchronized的優(yōu)化
jdk1.6對(duì)鎖的實(shí)現(xiàn)引入了大量的優(yōu)化雳殊，如自旋鎖橘沥、適應(yīng)性自旋鎖、鎖消除夯秃、鎖粗化座咆、偏向鎖、輕量級(jí)鎖等技術(shù)來(lái)減少鎖操作的開銷仓洼。

自旋鎖

線程的阻塞和喚醒需要CPU從用戶態(tài)轉(zhuǎn)為核心態(tài)介陶，頻繁的阻塞和喚醒對(duì)CPU來(lái)說(shuō)是一件負(fù)擔(dān)很重的工作，勢(shì)必會(huì)給系統(tǒng)的并發(fā)性能帶來(lái)很大的壓力衬潦。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)在許多應(yīng)用上面斤蔓，對(duì)象鎖的鎖狀態(tài)只會(huì)持續(xù)很短一段時(shí)間植酥，為了這一段很短的時(shí)間頻繁地阻塞和喚醒線程是非常不值得的镀岛。所以引入自旋鎖。
何謂自旋鎖友驮？
所謂自旋鎖漂羊，就是讓該線程等待一段時(shí)間，不會(huì)被立即掛起卸留，看持有鎖的線程是否會(huì)很快釋放鎖走越。怎么等待呢？執(zhí)行一段無(wú)意義的循環(huán)即可（自旋）耻瑟。
自旋等待不能替代阻塞旨指，先不說(shuō)對(duì)處理器數(shù)量的要求（多核，貌似現(xiàn)在沒(méi)有單核的處理器了）喳整，雖然它可以避免線程切換帶來(lái)的開銷谆构，但是它占用了處理器的時(shí)間。如果持有鎖的線程很快就釋放了鎖框都，那么自旋的效率就非常好搬素，反之，自旋的線程就會(huì)白白消耗掉處理的資源，它不會(huì)做任何有意義的工作熬尺，典型的占著茅坑不拉屎摸屠，這樣反而會(huì)帶來(lái)性能上的浪費(fèi)。所以說(shuō)粱哼，自旋等待的時(shí)間（自旋的次數(shù)）必須要有一個(gè)限度季二，如果自旋超過(guò)了定義的時(shí)間仍然沒(méi)有獲取到鎖，則應(yīng)該被掛起揭措。
自旋鎖在JDK 1.4.2中引入戒傻，默認(rèn)關(guān)閉，但是可以使用-XX:+UseSpinning開開啟蜂筹，在JDK1.6中默認(rèn)開啟需纳。同時(shí)自旋的默認(rèn)次數(shù)為10次，可以通過(guò)參數(shù)-XX:PreBlockSpin來(lái)調(diào)整艺挪；
如果通過(guò)參數(shù)-XX:preBlockSpin來(lái)調(diào)整自旋鎖的自旋次數(shù)不翩，會(huì)帶來(lái)諸多不便。假如我將參數(shù)調(diào)整為10麻裳，但是系統(tǒng)很多線程都是等你剛剛退出的時(shí)候就釋放了鎖（假如你多自旋一兩次就可以獲取鎖）口蝠，你是不是很尷尬。于是JDK1.6引入自適應(yīng)的自旋鎖津坑，讓虛擬機(jī)會(huì)變得越來(lái)越聰明妙蔗。

適應(yīng)自旋鎖

JDK 1.6引入了更加聰明的自旋鎖，即自適應(yīng)自旋鎖疆瑰。所謂自適應(yīng)就意味著自旋的次數(shù)不再是固定的眉反，它是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來(lái)決定。它怎么做呢穆役？線程如果自旋成功了寸五，那么下次自旋的次數(shù)會(huì)更加多，因?yàn)樘摂M機(jī)認(rèn)為既然上次成功了耿币，那么此次自旋也很有可能會(huì)再次成功梳杏，那么它就會(huì)允許自旋等待持續(xù)的次數(shù)更多。反之淹接，如果對(duì)于某個(gè)鎖十性，很少有自旋能夠成功的，那么在以后要或者這個(gè)鎖的時(shí)候自旋的次數(shù)會(huì)減少甚至省略掉自旋過(guò)程塑悼，以免浪費(fèi)處理器資源劲适。
有了自適應(yīng)自旋鎖，隨著程序運(yùn)行和性能監(jiān)控信息的不斷完善拢肆，虛擬機(jī)對(duì)程序鎖的狀況預(yù)測(cè)會(huì)越來(lái)越準(zhǔn)確减响，虛擬機(jī)會(huì)變得越來(lái)越聰明靖诗。

鎖消除

為了保證數(shù)據(jù)的完整性，我們?cè)谶M(jìn)行操作時(shí)需要對(duì)這部分操作進(jìn)行同步控制支示，但是在有些情況下刊橘，JVM檢測(cè)到不可能存在共享數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)，這是JVM會(huì)對(duì)這些同步鎖進(jìn)行鎖消除颂鸿。鎖消除的依據(jù)是逃逸分析的數(shù)據(jù)支持促绵。
如果不存在競(jìng)爭(zhēng)，為什么還需要加鎖呢嘴纺？所以鎖消除可以節(jié)省毫無(wú)意義的請(qǐng)求鎖的時(shí)間败晴。變量是否逃逸，對(duì)于虛擬機(jī)來(lái)說(shuō)需要使用數(shù)據(jù)流分析來(lái)確定栽渴，但是對(duì)于我們程序員來(lái)說(shuō)這還不清楚么尖坤？我們會(huì)在明明知道不存在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的代碼塊前加上同步嗎？但是有時(shí)候程序并不是我們所想的那樣闲擦？我們雖然沒(méi)有顯示使用鎖慢味，但是我們?cè)谑褂靡恍㎎DK的內(nèi)置API時(shí)，如StringBuffer墅冷、Vector纯路、HashTable等，這個(gè)時(shí)候會(huì)存在隱形的加鎖操作寞忿。比如StringBuffer的append()方法驰唬，Vector的add()方法：

public void vectorTest(){
     Vector<String> vector = new Vector<String>();
     for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){
         vector.add(i + "");
     }
 
     System.out.println(vector);
 }

在運(yùn)行這段代碼時(shí)，JVM可以明顯檢測(cè)到變量vector沒(méi)有逃逸出方法vectorTest()之外腔彰，所以JVM可以大膽地將vector內(nèi)部的加鎖操作消除叫编。

鎖粗化

我們知道在使用同步鎖的時(shí)候，需要讓同步塊的作用范圍盡可能小—僅在共享數(shù)據(jù)的實(shí)際作用域中才進(jìn)行同步萍桌，這樣做的目的是為了使需要同步的操作數(shù)量盡可能縮小宵溅，如果存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，那么等待鎖的線程也能盡快拿到鎖上炎。
在大多數(shù)的情況下，上述觀點(diǎn)是正確的雏搂，LZ也一直堅(jiān)持著這個(gè)觀點(diǎn)藕施。但是如果一系列的連續(xù)加鎖解鎖操作凸郑，可能會(huì)導(dǎo)致不必要的性能損耗，所以引入鎖粗話的概念芙沥。
鎖粗話概念比較好理解浊吏，就是將多個(gè)連續(xù)的加鎖、解鎖操作連接在一起救氯，擴(kuò)展成一個(gè)范圍更大的鎖找田。如上面實(shí)例：vector每次add的時(shí)候都需要加鎖操作着憨，JVM檢測(cè)到對(duì)同一個(gè)對(duì)象（vector）連續(xù)加鎖墩衙、解鎖操作甲抖，會(huì)合并一個(gè)更大范圍的加鎖漆改、解鎖操作，即加鎖解鎖操作會(huì)移到for循環(huán)之外准谚。

三.鎖的等級(jí)
鎖主要存在四中狀態(tài)挫剑，依次是：無(wú)鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)暮顺、輕量級(jí)鎖狀態(tài)秀存、重量級(jí)鎖狀態(tài)捶码，他們會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)的激烈而逐漸升級(jí)。注意鎖可以升級(jí)不可降級(jí)惫恼，這種策略是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率澳盐。

偏向鎖是指一段同步代碼一直被一個(gè)線程所訪問(wèn)祈纯，那么該線程會(huì)自動(dòng)獲取鎖叼耙。降低獲取鎖的代價(jià)。其中識(shí)別是不是同一個(gè)線程一只獲取鎖的標(biāo)志是在上面提到的對(duì)象頭Mark Word（標(biāo)記字段）中存儲(chǔ)的簇爆。
輕量級(jí)鎖是指當(dāng)鎖是偏向鎖的時(shí)候，被另一個(gè)線程所訪問(wèn)入蛆，偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖硕勿，其他線程會(huì)通過(guò)自旋的形式嘗試獲取鎖，不會(huì)阻塞源武，提高性能想幻。
重量級(jí)鎖是指當(dāng)鎖為輕量級(jí)鎖的時(shí)候话浇，另一個(gè)線程雖然是自旋，但自旋不會(huì)一直持續(xù)下去凳枝，當(dāng)自旋一定次數(shù)的時(shí)候，還沒(méi)有獲取到鎖岖瑰，就會(huì)進(jìn)入阻塞叛买，該鎖膨脹為重量級(jí)鎖蹋订。重量級(jí)鎖會(huì)讓其他申請(qǐng)的線程進(jìn)入阻塞，性能降低露戒。這時(shí)候也就成為了原始的Synchronized的實(shí)現(xiàn)。
JVM在運(yùn)行過(guò)程會(huì)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)添加了Synchronized關(guān)鍵字的部分進(jìn)行鎖自動(dòng)升級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)自我優(yōu)化动漾。

以上就是Synchronized的實(shí)現(xiàn)原理和java1.6以后對(duì)其所做的優(yōu)化以及在實(shí)際運(yùn)行中可能遇到的鎖升級(jí)等荠锭。