徹底搞懂synchronized(從偏向鎖到重量級(jí)鎖)

接觸過線程安全的同學(xué)想必都使用過synchronized這個(gè)關(guān)鍵字溃卡，在java同步代碼快中铐维，synchronized的使用方式無非有兩個(gè):

1. 通過對(duì)一個(gè)對(duì)象進(jìn)行加鎖來實(shí)現(xiàn)同步焰坪，如下面代碼。

synchronized(lockObject){    //代碼 }

1. 對(duì)一個(gè)方法進(jìn)行synchronized聲明锥余，進(jìn)而對(duì)一個(gè)方法進(jìn)行加鎖來實(shí)現(xiàn)同步瓮恭。如下面代碼

public synchornized void test(){    //代碼}

但這里需要指出的是，無論是對(duì)一個(gè)對(duì)象進(jìn)行加鎖還是對(duì)一個(gè)方法進(jìn)行加鎖产还，實(shí)際上匹厘，都是對(duì)對(duì)象進(jìn)行加鎖。

也就是說脐区，對(duì)于方式2愈诚，實(shí)際上虛擬機(jī)會(huì)根據(jù)synchronized修飾的是實(shí)例方法還是類方法，去取對(duì)應(yīng)的實(shí)例對(duì)象或者Class對(duì)象來進(jìn)行加鎖牛隅。

對(duì)于synchronized這個(gè)關(guān)鍵字炕柔，可能之前大家有聽過，他是一個(gè)重量級(jí)鎖媒佣，開銷很大匕累，建議大家少用點(diǎn)。但大家可能也聽說過默伍，但到了jdk1.6之后欢嘿，該關(guān)鍵字被進(jìn)行了很多的優(yōu)化，已經(jīng)不像以前那樣不給力了也糊，建議大家多使用括堤。

那么它是進(jìn)行了什么樣的優(yōu)化速侈，才使得synchronized又深得人心呢？為何重量級(jí)鎖開銷就大呢涩盾？

想必大家也都聽說過輕量級(jí)鎖辛辨，重量級(jí)鎖捕捂，自旋鎖，自適應(yīng)自旋鎖斗搞，偏向鎖等等指攒，他們都有哪些區(qū)別呢？
剛才和大家說僻焚，鎖是加在對(duì)象上的允悦，那么一個(gè)線程是如何知道這個(gè)對(duì)象被加了鎖呢？又是如何知道它加的是什么類型的鎖呢虑啤？

基于這些問題隙弛，下面我講一步一步講解synchronized是如何被優(yōu)化的架馋，是如何從偏向鎖到重量級(jí)鎖的。

鎖對(duì)象

剛才我們說全闷，鎖實(shí)際上是加在對(duì)象上的叉寂，那么被加了鎖的對(duì)象我們稱之為鎖對(duì)象，在java中总珠，任何一個(gè)對(duì)象都能成為鎖對(duì)象屏鳍。
為了讓大家更好著理解虛擬機(jī)是如何知道這個(gè)對(duì)象就是一個(gè)鎖對(duì)象的，我們下面簡單介紹一下java中一個(gè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)局服。
java對(duì)象在內(nèi)存中的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)主要有一下三個(gè)部分：

1. 對(duì)象頭
2. 實(shí)例數(shù)據(jù)
3. 填充數(shù)據(jù)
   這里強(qiáng)調(diào)一下钓瞭，對(duì)象頭里的數(shù)據(jù)主要是一些運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)。
   其簡單的結(jié)構(gòu)如下

從該表格中我們可以看到山涡，對(duì)象中關(guān)于鎖的信息是存在Markword里的。
我們來看一段代碼

LockObject lockObject = new LockObject();//隨便創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象synchronized(lockObject){    //代碼}

當(dāng)我們創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象LockObject時(shí)搏讶，該對(duì)象的部分Markword關(guān)鍵數(shù)據(jù)如下佳鳖。

從圖中可以看出，偏向鎖的標(biāo)志位是“01”媒惕，狀態(tài)是“0”系吩，表示該對(duì)象還沒有被加上偏向鎖。（“1”是表示被加上偏向鎖）妒蔚。該對(duì)象被創(chuàng)建出來的那一刻穿挨，就有了偏向鎖的標(biāo)志位，這也說明了所有對(duì)象都是可偏向的肴盏，但所有對(duì)象的狀態(tài)都為“0”科盛，也同時(shí)說明所有被創(chuàng)建的對(duì)象的偏向鎖并沒有生效。

偏向鎖

不過菜皂，當(dāng)線程執(zhí)行到臨界區(qū)（critical section）時(shí)贞绵，此時(shí)會(huì)利用CAS(Compare and Swap)操作，將線程ID插入到Markword中恍飘，同時(shí)修改偏向鎖的標(biāo)志位榨崩。

所謂臨界區(qū)，就是只允許一個(gè)線程進(jìn)去執(zhí)行操作的區(qū)域章母，即同步代碼塊母蛛。CAS是一個(gè)原子性操作

此時(shí)的Mark word的結(jié)構(gòu)信息如下：

此時(shí)偏向鎖的狀態(tài)為“1”，說明對(duì)象的偏向鎖生效了乳怎，同時(shí)也可以看到彩郊，哪個(gè)線程獲得了該對(duì)象的鎖。

那么，什么是偏向鎖?

偏向鎖是jdk1.6引入的一項(xiàng)鎖優(yōu)化秫逝，其中的“偏”是偏心的偏恕出。它的意思就是說，這個(gè)鎖會(huì)偏向于第一個(gè)獲得它的線程筷登，在接下來的執(zhí)行過程中剃根，假如該鎖沒有被其他線程所獲取，沒有其他線程來競爭該鎖前方，那么持有偏向鎖的線程將永遠(yuǎn)不需要進(jìn)行同步操作狈醉。
也就是說:
在此線程之后的執(zhí)行過程中，如果再次進(jìn)入或者退出同一段同步塊代碼惠险，并不再需要去進(jìn)行加鎖或者解鎖操作苗傅，而是會(huì)做以下的步驟：

1. Load-and-test，也就是簡單判斷一下當(dāng)前線程id是否與Markword當(dāng)中的線程id是否一致.
2. 如果一致班巩，則說明此線程已經(jīng)成功獲得了鎖渣慕，繼續(xù)執(zhí)行下面的代碼.
3. 如果不一致，則要檢查一下對(duì)象是否還是可偏向抱慌，即“是否偏向鎖”標(biāo)志位的值逊桦。
4. 如果還未偏向，則利用CAS操作來競爭鎖抑进，也即是第一次獲取鎖時(shí)的操作强经。

如果此對(duì)象已經(jīng)偏向了，并且不是偏向自己寺渗，則說明存在了競爭匿情。此時(shí)可能就要根據(jù)另外線程的情況，可能是重新偏向信殊，也有可能是做偏向撤銷炬称，但大部分情況下就是升級(jí)成輕量級(jí)鎖了。
可以看出涡拘，偏向鎖是針對(duì)于一個(gè)線程而言的玲躯，線程獲得鎖之后就不會(huì)再有解鎖等操作了，這樣可以省略很多開銷鳄乏。假如有兩個(gè)線程來競爭該鎖話府蔗，那么偏向鎖就失效了，進(jìn)而升級(jí)成輕量級(jí)鎖了汞窗。
為什么要這樣做呢？因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)表明赡译，其實(shí)大部分情況下仲吏，都會(huì)是同一個(gè)線程進(jìn)入同一塊同步代碼塊的。這也是為什么會(huì)有偏向鎖出現(xiàn)的原因。
在Jdk1.6中裹唆，偏向鎖的開關(guān)是默認(rèn)開啟的誓斥，適用于只有一個(gè)線程訪問同步塊的場景。

鎖膨脹

剛才說了许帐，當(dāng)出現(xiàn)有兩個(gè)線程來競爭鎖的話劳坑，那么偏向鎖就失效了，此時(shí)鎖就會(huì)膨脹成畦，升級(jí)為輕量級(jí)鎖距芬。這也是我們經(jīng)常所說的鎖膨脹

鎖撤銷

由于偏向鎖失效了，那么接下來就得把該鎖撤銷循帐，鎖撤銷的開銷花費(fèi)還是挺大的框仔，其大概的過程如下：

1. 在一個(gè)安全點(diǎn)停止擁有鎖的線程。
2. 遍歷線程棧拄养，如果存在鎖記錄的話离斩，需要修復(fù)鎖記錄和Markword，使其變成無鎖狀態(tài)瘪匿。
3. 喚醒當(dāng)前線程跛梗，將當(dāng)前鎖升級(jí)成輕量級(jí)鎖。
   所以棋弥，如果某些同步代碼塊大多數(shù)情況下都是有兩個(gè)及以上的線程競爭的話核偿，那么偏向鎖就會(huì)是一種累贅，對(duì)于這種情況嘁锯，我們可以一開始就把偏向鎖這個(gè)默認(rèn)功能給關(guān)閉

輕量級(jí)鎖

鎖撤銷升級(jí)為輕量級(jí)鎖之后宪祥，那么對(duì)象的Markword也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的的變化。下面先簡單描述下鎖撤銷之后家乘，升級(jí)為輕量級(jí)鎖的過程：

1. 線程在自己的棧楨中創(chuàng)建鎖記錄 LockRecord蝗羊。
2. 將鎖對(duì)象的對(duì)象頭中的MarkWord復(fù)制到線程的剛剛創(chuàng)建的鎖記錄中。
3. 將鎖記錄中的Owner指針指向鎖對(duì)象仁锯。
4. 將鎖對(duì)象的對(duì)象頭的MarkWord替換為指向鎖記錄的指針耀找。

對(duì)應(yīng)的圖描述如下(圖來自周志明深入java虛擬機(jī))

圖片1

圖片2

之后Markwork如下：

注：鎖標(biāo)志位”00”表示輕量級(jí)鎖
輕量級(jí)鎖主要有兩種

1. 自旋鎖
2. 自適應(yīng)自旋鎖

自旋鎖

所謂自旋，就是指當(dāng)有另外一個(gè)線程來競爭鎖時(shí)业崖，這個(gè)線程會(huì)在原地循環(huán)等待野芒，而不是把該線程給阻塞，直到那個(gè)獲得鎖的線程釋放鎖之后双炕，這個(gè)線程就可以馬上獲得鎖的狞悲。
注意，鎖在原地循環(huán)的時(shí)候妇斤，是會(huì)消耗cpu的摇锋，就相當(dāng)于在執(zhí)行一個(gè)啥也沒有的for循環(huán)丹拯。
所以，輕量級(jí)鎖適用于那些同步代碼塊執(zhí)行的很快的場景荸恕，這樣乖酬，線程原地等待很短很短的時(shí)間就能夠獲得鎖了。
經(jīng)驗(yàn)表明融求，大部分同步代碼塊執(zhí)行的時(shí)間都是很短很短的咬像，也正是基于這個(gè)原因，才有了輕量級(jí)鎖這么個(gè)東西生宛。

自旋鎖的一些問題

1. 如果同步代碼塊執(zhí)行的很慢县昂，需要消耗大量的時(shí)間，那么這個(gè)時(shí)侯茅糜，其他線程在原地等待空消耗cpu七芭，這會(huì)讓人很難受。
2. 本來一個(gè)線程把鎖釋放之后蔑赘，當(dāng)前線程是能夠獲得鎖的狸驳，但是假如這個(gè)時(shí)候有好幾個(gè)線程都在競爭這個(gè)鎖的話，那么有可能當(dāng)前線程會(huì)獲取不到鎖缩赛，還得原地等待繼續(xù)空循環(huán)消耗cup耙箍，甚至有可能一直獲取不到鎖。

基于這個(gè)問題酥馍，我們必須給線程空循環(huán)設(shè)置一個(gè)次數(shù)辩昆，當(dāng)線程超過了這個(gè)次數(shù)，我們就認(rèn)為旨袒，繼續(xù)使用自旋鎖就不適合了汁针，此時(shí)鎖會(huì)再次膨脹，升級(jí)為重量級(jí)鎖砚尽。
默認(rèn)情況下施无，自旋的次數(shù)為10次，用戶可以通過-XX:PreBlockSpin來進(jìn)行更改必孤。

自旋鎖是在JDK1.4.2的時(shí)候引入的

自適應(yīng)自旋鎖

所謂自適應(yīng)自旋鎖就是線程空循環(huán)等待的自旋次數(shù)并非是固定的猾骡，而是會(huì)動(dòng)態(tài)著根據(jù)實(shí)際情況來改變自旋等待的次數(shù)。
其大概原理是這樣的：
假如一個(gè)線程1剛剛成功獲得一個(gè)鎖敷搪，當(dāng)它把鎖釋放了之后兴想，線程2獲得該鎖，并且線程2在運(yùn)行的過程中赡勘，此時(shí)線程1又想來獲得該鎖了嫂便，但線程2還沒有釋放該鎖，所以線程1只能自旋等待闸与，但是虛擬機(jī)認(rèn)為顽悼，由于線程1剛剛獲得過該鎖曼振，那么虛擬機(jī)覺得線程1這次自旋也是很有可能能夠再次成功獲得該鎖的，所以會(huì)延長線程1自旋的次數(shù)蔚龙。
另外，如果對(duì)于某一個(gè)鎖映胁，一個(gè)線程自旋之后木羹，很少成功獲得該鎖，那么以后這個(gè)線程要獲取該鎖時(shí)解孙，是有可能直接忽略掉自旋過程坑填，直接升級(jí)為重量級(jí)鎖的，以免空循環(huán)等待浪費(fèi)資源弛姜。

輕量級(jí)鎖也被稱為非阻塞同步脐瑰、樂觀鎖，因?yàn)檫@個(gè)過程并沒有把線程阻塞掛起廷臼，而是讓線程空循環(huán)等待苍在，串行執(zhí)行。

重量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖膨脹之后荠商，就升級(jí)為重量級(jí)鎖了寂恬。重量級(jí)鎖是依賴對(duì)象內(nèi)部的monitor鎖來實(shí)現(xiàn)的，而monitor又依賴操作系統(tǒng)的MutexLock(互斥鎖)來實(shí)現(xiàn)的莱没，所以重量級(jí)鎖也被成為互斥鎖初肉。
當(dāng)輕量級(jí)所經(jīng)過鎖撤銷等步驟升級(jí)為重量級(jí)鎖之后，它的Markword部分?jǐn)?shù)據(jù)大體如下

為什么說重量級(jí)鎖開銷大呢

主要是饰躲，當(dāng)系統(tǒng)檢查到鎖是重量級(jí)鎖之后牙咏，會(huì)把等待想要獲得鎖的線程進(jìn)行阻塞，被阻塞的線程不會(huì)消耗cup嘹裂。但是阻塞或者喚醒一個(gè)線程時(shí)妄壶，都需要操作系統(tǒng)來幫忙，這就需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài)焦蘑，而轉(zhuǎn)換狀態(tài)是需要消耗很多時(shí)間的盯拱，有可能比用戶執(zhí)行代碼的時(shí)間還要長。
這就是說為什么重量級(jí)線程開銷很大的例嘱。

互斥鎖(重量級(jí)鎖)也稱為阻塞同步狡逢、悲觀鎖

總結(jié)

通過上面的分析，我們知道了為什么synchronized關(guān)鍵字為何又深得人心拼卵，也知道了鎖的演變過程奢浑。
也就是說，synchronized關(guān)鍵字并非一開始就該對(duì)象加上重量級(jí)鎖腋腮，也是從偏向鎖雀彼，輕量級(jí)鎖壤蚜，再到重量級(jí)鎖的過程。
這個(gè)過程也告訴我們徊哑，假如我們一開始就知道某個(gè)同步代碼塊的競爭很激烈袜刷、很慢的話，那么我們一開始就應(yīng)該使用重量級(jí)鎖了莺丑，從而省掉一些鎖轉(zhuǎn)換的開銷著蟹。
講到這里就大概完了，希望能對(duì)你有所幫助

完
參考資料

1. 深入理解java虛擬機(jī)(JVM高級(jí)特性與最佳實(shí)踐)
2. java并發(fā)編程
3. Eliminating Synchronization Related Atomic Operations with Biased Locking and Bulk Rebiasing