HotSpot虚拟机的锁优化

面试中多次被问到synchronized关键字的实现原理，一直认为仅是monitorenter与monitorexit两条指令而已，原来底层涉及到多种锁优化策略，包括：自旋锁，轻量锁，偏向锁。

1、自旋锁

互斥同步对性能影响最大的部分是线程的阻塞与恢复，因为这两个操作涉及用户态与内核态的转换。如果共享数据锁定时间很短，而且竞争不是特别激烈，那么阻塞实现并不划算。因此在多核的处理器中，我们可以让请求锁的线程进行忙等，而不是放弃处理器执行时间。反之，如果锁占用时间比较长，那忙等的线程只会白白浪费处理器资源，因此需要有一定的时间限制，超出限制便挂起线程。

使用AtomicReference模拟自旋锁：

public class SpinLock {

  private AtomicReference<Thread> sign =new AtomicReference<>();

  public void lock(){

    Thread current = Thread.currentThread();

    while(!sign .compareAndSet(null, current));

  }

  public void unlock (){

    Thread current = Thread.currentThread();

    sign .compareAndSet(current, null);

  }

}

2、轻量锁

轻量锁是相对于阻塞实现的重量锁而言的，很多时候虽然用到锁，但并不存在竞争情况，相当于多个线程轮流获取一把锁。轻量锁可使用CAS操作获取，被多线程竞争时会膨胀为重量锁。

每个对象的对象头中都有一个字，称为mark word，低两位代表状态，根据状态的不同，其余各位有不同的含义：

HotSpot虚拟机以一种叫做displaced headers的方法实现轻量锁。当线程获取轻量锁时，会在该线程的栈上创建一个lock record（lock record由一个mark word备份，一个指向对象的指针组成），然后备份当前mark word，最后使用CAS操作把mark word的状态位更新为Thin locked，也就是00，同时mark word中的指针指向lock record。

发生重入时，线程可以知道对象mark word中的指针正指向自己的栈，便创建一个值为NULL的lock record，在释放锁时如果lock record值为NULL就立即返回。

当轻量锁被一个线程获得后，另一个希望获取锁的线程会将轻量锁膨胀为重量锁，该线程在一个循环里不断尝试，直到膨胀成功。膨胀也会发生在锁的wait或notify方法被调用时，无论该锁是否已被一个线程获取。

进行膨胀时，首先用CAS将mark word中的状态位更新为Inflating，尝试获取处于该状态锁的线程会等待到膨胀完成，已经获取到锁的线程也必须等到膨胀完成才能释放锁。

3、偏向锁

前文说到轻量锁适合的场景是多个线程轮流占用资源，而偏向锁适用的场景是一个线程反复占用资源。什么时候会出现这种情况呢？比如在使用一些类库时，它的接口是线程安全的，但我们不会通过多个线程访问。

在Unlocked状态下，mark word的第三位代表是否允许启用偏序。如果那一位为0，说明锁没有被任何线程获取，且不允许偏序。如果为1，锁可以是如下状态中的一种：

匿名偏向：线程指针为NULL，锁还没有偏向于任何一个线程，这是允许偏向的锁的初始状态。
可重偏向：mark word中的epoch字段无效，获取锁的线程可使锁偏向自己。
已偏向：线程指针不为NULL，epoch字段有效，锁正偏向于线程指针指向的线程。

由于偏向锁需要占用hashcode字段存放线程指针，访问该对象的hashcode将会导致偏向状态被撤销（Object类的hashcode的方法会导致这种情况）。

偏向锁使用的lock record与轻量锁一致，但是mark word备份没有被使用，在偏向被撤销时，会被转化为轻量锁。

偏序撤销在系统到达全局安全点时执行，竞争线程通过遍历偏序线程的lock record判断锁是否正在被占用，将其转化为轻量锁或偏向自己。

参考：《Evaluating and improving biased locking in the HotSpot virtual machine》