淺談Java併發編程系列（七） —— 深刻解析synchronized關鍵字

Synchronized關鍵字

synchronized的鎖機制的主要優點是Java語言內置的鎖機制，所以，JVM能夠自由的優化而不影響已存在的代碼。

任何對象都擁有對象頭這一數據結構來支持鎖，可是對於較大的對象系統開銷會更大一些。

java中的每個對象都至少包含2個字（24 Bytes for 32bits & 28 Bytes for 64bits, 不包括已壓縮的對象）。第一個字被稱爲Mark Word。這是一個對象的頭，它包含了不一樣的信息，包括鎖的相關信息。
第二個字是指向metadata class的指針，metadata class字義了對象的類型。這部分也包含了VMT（Virtual Method Table）。

Mark Word 的結構以下所示：

Mark Word根據最低兩位（Tag）的所表示的狀態，編碼了不一樣的信息。
若是這個對象沒有被用做鎖，Mark Word 記錄了hashcode和對象年齡（for GC/survivors）。
除此以外，有3種狀態對應鎖：輕量級鎖，重量級鎖和偏向鎖。

經量級鎖

全部現代JVM都引入了經量級鎖：

• 避免將每一個對象關聯操做系統的mutex/condition變量（重量級鎖）

• 當不存在鎖競爭時，使用原子操做來進入退出同步塊

• 若是發生鎖競爭，回退到操做系統的重量級鎖

引入輕量級鎖會提供鎖效率，由於大部分鎖都不存在競爭。

經量級鎖的加鎖過程：

• 當一個對象被鎖定時，mark word被複制到當前嘗試獲取鎖的線程的線程棧（Execution stack）的鎖記錄空間（lock record）, 被複制的mark word官方稱爲displaced mark。

• 使用CAS操做來嘗試使 mark word指向當前線程的鎖記錄空間（即在mark word中存入使用當前線程鎖記錄空間的指針——stack pointer）。

• 若是CAS操做成功，則線程得到鎖。

• 若是CAS操做失敗，即代表存在鎖競爭，則發生鎖膨脹，回退到重量級鎖。

• 鎖記錄空間中記錄了被當前執行方法鎖定的對象（經過遍歷線程棧找到線程的鎖對象）

經量級鎖加鎖前：

經量級鎖加鎖後：

經量級鎖的解鎖過程：

• 解鎖使用CAS來把displaced mark寫回對象的mark word中。

• 若是CAS失敗， 表示發生鎖競爭：則鎖膨脹。（通知其餘等待線程鎖已釋放）

• 將鎖記錄空間置爲0：若是發生鎖膨脹，則用0替換displaced mardk，若是不存在競爭，則CAS將鎖記錄空間置爲0後，中止CAS操做。

偏向鎖

偏向鎖的引入：

• 在多處理器上CAS操做可能開銷很大。

• 大多數鎖不只不存在競爭，並且每每由同一個線程使用。

• 使單獨一個線程獲取鎖的開銷更低。

• 代價是使另外一個線程獲取鎖開銷增大。

偏向鎖加鎖過程：

當鎖對象第一次被線程獲取時，VM把對象頭中的標誌位設爲101，即偏向模式。同時使用CAS把獲取到這個鎖的線程ID記錄在對象的mark word中，若是CAS成功，則持有偏向鎖的線程之後每次進行這個鎖相關的同步塊時，再也不進行任務同步操做，只進行比較Mark word中的線程ID是不是當前線程的ID。

偏向鎖的解鎖過程：

當另一個線程去嘗試獲取這個鎖時，偏向模式結束。根據鎖對象目前是否處於被鎖定狀態，撤銷偏向後恢復到未鎖定或經量級鎖定狀態。

VM會中止持有偏向鎖的線程（實際上，VM不能中止單一線程，而是在安全點進行的操做）。
遍歷持有偏向鎖的線程的棧，找到鎖記錄空間，將displaced mark 寫入到最舊的鎖記錄空間，其餘的寫0。
更新鎖對象的mark word。若是被鎖定，則指向最舊的鎖記錄空間，不然，填入未鎖定值。

偏向鎖的特色：

• 偏向於第一個獲取鎖的線程：

  • 在mark word的Tag中增長一位

  • 001表示無鎖狀態

  • 101表示偏向或可偏向狀態（thread ID ==0 == unlock）

  • 經過CAS來獲取偏向鎖

• 對於持有鎖的線程接下的鎖獲取和釋放開銷很是小（僅僅判斷下，不須要CAS同步操做）。

• 若是另外一個線程鎖定了偏向鎖對象，則偏向鎖收回，升級爲輕量級鎖（增長了另外一個線程獲取鎖的開銷）。