synchronized偏向锁、轻量级锁和重量级锁详解

synchronized基本锁机制

偏向锁和轻量级锁是Java SE1.6中为了提高synchronized并发性能而引入的锁机制，java 1.6之前synchronized只有重量级锁实现。
java中每一个对象都能作为锁，而synchronized有三种加锁方式：

• 普通方法加锁，锁是当前实例对象
• 静态方法加锁，锁是类对象
• 方法加锁，锁是Synchronized括号中的对象

加锁后，monitorenter指令会插入到同步代码块开始位置，monitorexit会插入到同步代码块结束位置或者异常处，然后代码执行到同步代码块时会尝试获取对象的锁。

synchronized使用的锁是存放在Java对象头的Markword里的，不同锁时存储的锁结构不同：

markword存储的数据会随着锁标志位的变化而变化，初次加锁后，数据状态会从无锁变为偏向锁，随着锁竞争的频繁，锁会逐步升级为轻量级锁然后时重量级锁。

偏向锁

• 使用场景：适用于只有一个线程获取锁，且无竞争的场景。
• 特点：
  • 持锁线程不会主动释放锁。
  • 无竞争情况下，持锁线程在此获取锁不需要进行CAS操作。
• 获取锁流程：
  • 在线程栈帧中增加锁记录。
  • 判断是否是偏向锁。
    • 不是偏向锁，走锁升级操作。
    • 是偏向锁，则判断markword是否偏向当前线程
      • 是，获取锁。
      • 不是（说明存在锁竞争），走撤销偏向锁流程。
• 撤销锁流程：
  • 在全局安全点，暂停持锁线程。
  • 判断持锁线程是否存活。
    • 否，将对象头置为无锁状态，并根据竞争的激烈程度决定是否进行锁升级（轻或重），最后唤醒其他阻塞线程。
    • 是，则进行锁升级（轻或重），唤醒持锁线程在内的阻塞线程。

轻量级锁

• 使用场景。存在锁竞争，但是锁竞争较少且竞争时间不长的情况。
• 特点。在基本上没有竞争冲突时性能较好，避免了阻塞前后上下文切换的时间。
• 获取锁流程。
  • 在线程栈帧中添加锁记录。
  • 将锁对象头中的Markword（如果锁被其他线程持有，通过指针找到栈帧中的锁记录后，从锁记录中获取）存储到锁记录中。
  • 使用CAS操作尝试将锁对象头的Markword替换为锁记录的地址。
    • 如果成功，则当前对象获取锁。
    • 如果失败，表示其他线程持有锁，便通过自旋尝试获取锁。自旋一定次数后仍没有获取锁，则修改锁标志位，膨胀为重量级锁，当前线程阻塞。
• 释放锁流程。
  • 使用CAS操作尝试将锁记录中的Markword替换回锁对象头。
    • 如果成功，表示没有竞争或者竞争时间不长，释放锁。
    • 如果失败，表示存在一定程度竞争（锁已升级），释放锁，并唤醒其他等待线程。

重量级锁

jvm中每一个java对象都会有一个monitor对象，monitor对象会和对象一同创建和一同销毁，它的作用是保证只有一个线程能访问同步代码块。在hotspot虚拟机中它的实现是ObjectMonitor。

ObjectMonitor() {
    _count     = 0;    //锁计数器
    _ownner    = NULL;
    _WaitSet   = NULL; // 出于wait状态的线程，会被加入到WaitSet
    _EntryList = NULL: // 出于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
}

• 使用场景。锁竞争频繁时（但这时一般也不会基于synchronized关键字加锁使用了）。
• 特点。竞争失败即阻塞，上下文切换时间耗时。
• 锁关联对象。如果synchronized给对象上锁，对象头的markword会被替换为monitor对象地址。
• 获取锁流程。
  • 判断锁对象的monitor对象的owner是否为null。
    • 如果是，则将monitor对象的owner修改为当前线程地址。
    • 如果不是，则将当前线程放入EntryList队列中，并阻塞当前线程。
• 释放锁流程。
  • 将owner置为null，并唤醒阻塞队列和等待队列中的线程。