synchronized关键字jvm实现及各种锁

一.synchronized的字节码执行过程

在java语言中存在两种内建的synchronized语法：1、synchronized语句；2、synchronized方法。

对于synchronized语句当Java源代码被javac编译成bytecode的时候，会在同步块的入口位置和退出位置分别插入monitorenter和monitorexit字节码指令。

而synchronized方法则会被翻译成普通的方法调用和返回指令如:invokevirtual、areturn指令，在JVM字节码层面并没有任何特别的指令来实现被synchronized修饰的方法，而是在Class文件的方法表中将该方法的access_flags字段中的synchronized标志位置1，表示该方法是同步方法并使用调用该方法的对象或该方法所属的Class在JVM的内部对象表示Klass做为锁对象。

二、对象头（Object Header）：

在JVM中创建对象时会在对象前面加上两个字大小的对象头，在32位机器上一个字为32bit，根据不同的状态位Mark World中存放不同的内容，如上图所示在轻量级锁中，Mark Word被分成两部分，刚开始时LockWord为被设置为HashCode、最低三位表示LockWord所处的状态，初始状态为001表示无锁状态。Klass ptr指向Class字节码在虚拟机内部的对象表示的地址。Fields表示连续的对象实例字段。

需要注意的是，在synchronized关键字里，任何对象都可以作为锁的对象，而对象的锁就存在在这个对象头里。

对象头的内容：

锁状态	25 bit			4bit	1bit	2bit
	23bit		2bit		是否是偏向锁	锁标志位
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针					00
重量级锁	指向互斥量（重量级锁）的指针					10
GC标记	空					11
偏向锁	线程ID	Epoch		对象分代年龄	1	01
无锁	对象的hashCode			对象分代年龄	0	01

三、JVM中锁的优化：

JVM中monitorenter和monitorexit字节码依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的，但是由于使用Mutex Lock需要将当前线程挂起并从用户态切换到内核态来执行，这种切换的代价是非常昂贵的；然而在现实中的大部分情况下，同步方法是运行在单线程环境（无锁竞争环境）如果每次都调用Mutex Lock那么将严重的影响程序的性能。所以jvm对锁的实现引入了大量的优化，如锁粗化（Lock Coarsening）、锁消除（Lock Elimination）、轻量级锁（Lightweight Locking）、偏向锁（Biased Locking）、适应性自旋（Adaptive Spinning）等技术来减少锁操作的开销。

锁的状态总共有四种：无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁（但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级）。JDK 1.6中默认是开启偏向锁和轻量级锁的，我们也可以通过-XX:-UseBiasedLocking来禁用偏向锁。

四、偏向锁

为了在只有一个线程为了让线程获得锁的代价更低，JVM引入了偏向锁，偏向锁在只有一个线程执行同步块时性能较高。偏向锁获得锁的过程分为以下几步：

1）初始时对象的Mark Word位为1，表示对象处于可偏向的状态，并且ThreadId为0，这是该对象是biasable&unbiased状态，可以加上偏向锁进入2）。如果一个线程试图锁住biasable&biased并且ThreadID不等于自己ID的时候，由于锁竞争应该直接进入4）撤销偏向锁。

2）线程尝试用CAS将自己的ThreadID放置到Mark Word中相应的位置，如果CAS操作成功进入到3），否则进入4）

3）进入到这一步代表当前没有锁竞争，Object继续保持biasable状态，但此时ThreadID已经不为0了，对象处于biasable&biased状态

4）当线程执行CAS失败，表示另一个线程当前正在竞争该对象上的锁。当到达全局安全点时（cpu没有正在执行的字节）获得偏向锁的线程将被挂起，撤销偏向（偏向位置0），如果这个线程已经死了，则把对象恢复到未锁定状态（标志位改为01），如果线程还活着，则把偏向锁置0，变成轻量级锁（标志位改为00），释放被阻塞的线程，进入到轻量级锁的执行路径中，同时被撤销偏向锁的线程继续往下执行。

5）运行同步代码块

五、轻量级锁

“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。但是，首先需要强调一点的是，轻量级锁并不是用来代替重量级锁的，它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用产生的性能消耗。在解释轻量级锁的执行过程之前，先明白一点，轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的情况，如果存在同一时间访问同一锁的情况，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

轻量级锁的步骤如下：

1）线程1在执行同步代码块之前，JVM会先在当前线程的栈帧中创建一个空间用来存储锁记录，然后再把对象头中的Mark Word复制到该锁记录中，官方称之为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word 替换为指向锁记录的指针。如果成功，则获得锁，进入步骤3）。如果失败执行步骤2）

2）线程自旋，自旋成功则获得锁，进入步骤3）。自旋失败，则膨胀成为重量级锁，并把锁标志位变为10，线程阻塞进入步骤3

PS：自旋——不断地循环获取锁

3）锁的持有线程执行同步代码，执行完CAS替换Mark Word成功释放锁，如果CAS成功则流程结束，CAS失败执行步骤4）

4）CAS执行失败说明期间有线程尝试获得锁并自旋失败，轻量级锁升级为了重量级锁，此时释放锁之后，还要唤醒等待的线程

六、总结

锁	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法比仅存在纳秒级的差距。	如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗。	适用于只有一个线程访问同步块场景。
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度。	如果始终得不到锁竞争的线程使用自旋会消耗CPU。	追求响应时间。 同步块执行速度非常快。
重量级锁	线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU。	线程阻塞，响应时间缓慢。	追求吞吐量。 同步块执行速度较长。

PS：CAS(Compare And Swap)简单介绍
CAS实现原子方式操作。java中锁可以分为两大类，乐观锁和悲观锁。乐观锁不是指哪种锁，而是一种实现线程安全的不加锁策略。而CAS实现了这个策略，先进行操作，如果没有其他线程争用共享数据，那操作就成功了，如果共享数据有争用，产生冲突，则采取其他的补偿措施，这个措施一般是不断调用那个方法，或者放弃调用
CAS执行函数：
CAS(V,E,N)
V：内存的值
E：预期值
N：更新的值
如果V值等于E值，则将V的值设为N。若V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做

参考文章：

https://www.cnblogs.com/javaminer/p/3889023.html

https://www.cnblogs.com/paddix/p/5405678.html

https://blog.csdn.net/Hzt_fighting_up/article/details/78633871

https://blog.csdn.net/u012722531/article/details/78244786