Synchronized 锁升级原理分析

一、背景

在多线程并发编程中 synchronized 一直是元老级角色，很多人称呼它为重量级锁。但是，随着 JavaSe1.6 synchronized 进行了各种优化之后，有些情况下它就并不那么重了。

二、对象结构

在 HotSpot 虚拟机中，对象在堆内存的存储布局可以分为对象头，实例数据，对齐填充部分。

对象头：包含两部分 MarkWord 和 类型指针；
实例数据：存储对象中的字段信息，包括子类自行实现的字段和从父类继承下来的字段；
对齐填充：起占位符的作用，HotSpot 虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是 8 字节的整数倍；

而 synchronized 的实现关键在于对象头中的 MarkWord，它存储着对象的 hashcode，分代年龄，锁状态标识，线程持有的锁，偏向模式，线程 ID 等信息，如下图：

三、锁优化原理

3.1 偏向锁

在并发编程中，某一把锁大部分时间可能只会被一个线程频繁访问，需要实现同步的场景较少。针对这种情况，JDK 对 synchronized 实现了偏向锁的功能。

当前线程第一次获取锁时，虚拟机会把对象头里的 MarkWord 中的偏向模式设置为 1，锁标志位设置为 01，同时通过 CAS 操作把线程 ID 写入到 MarkWord 中，如果 CAS 成功，则表示线程偏向成功。下次该线程访问该同步块时，只需要将该线程 ID 与 MarkWord 中存储的线程 ID 进行比较即可。

如果 CAS 失败，则会撤销偏向锁，进入到无锁（”01″）或者轻量级锁（”00″）的状态。如果持有偏向锁的线程不处于活动状态，则进入无锁状态；如果处于活动状态，该线程就会遍历对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头 MarkWord 要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁，要么标记该对象不适合作为偏向锁，进入到轻量级锁。

偏向锁的执行过程：

在 Java 6 和 Java 7 中，偏向锁是默认启动的，可以通过 JVM 参数 -XX:-UseBiasedLocking 来控制偏向锁的开启与关闭。

3.2 轻量级锁

轻量级锁是 JDK 6 时加入的新型锁机制，它名字中的 “轻量级” 是相对于使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的，因此传统的锁机制就被称为 “重量级” 锁。

3.2.1 轻量级锁加锁

线程在执行同步块之前，JVM 会在当前的线程栈空间中创建一个锁记录（Lock Record）。

同时会将对象头中的 MarkWord 复制一份到当前的锁记录中，称为 Displaced MarkWord，接着通过 CAS 将对象头中的 MarkWord 替换为锁记录的地址，如果成功，则表示成功获取到锁，如果失败，则表示获取锁失败，说明至少有一条线程与当前线程竞争获取该对象锁。虚拟机首先会检查当前 MarkWord 上面的 Lock Record 地址，如果是指向当前线程栈帧中的 Lock Record，则直接进入同步块执行，否则就说明这个锁对象被其他线程抢占了，那么将会采用自旋的方式获取锁或者升级到重量级锁。

如果升级为了重量级锁，那么当前等待锁的线程要进入等待队列中等待。

3.2.2 轻量级锁解锁

轻量级锁解锁时，会使用原子的 CAS 操作将 Displaced Mark Word 替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生，如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀为重量级锁。

3.2.3 轻量级锁加解锁流程

3.3 重量级锁

重量级锁的实现是基于监视器 Monitor，是由 JVM 提供的，由 C++ 实现，有三个实现部分：

WaitSet：调用了 wait 方法的线程，在这里等待
EntrySet：没有获取到锁的线程，在这里等待；
Owner：获取到该锁的线程对象

Monitor 的实现属于重量级锁，涉及到内核态和用户态的切换，每个 Java 对象都会关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给该对象加锁，那么 Java 上面的 MarkWord 地址就被设置为指向该 Monitor 对象的指针，**锁标识设置为 “10”**。