synchronized详解

synchronized是jvm级别的一种重量级锁，但是随着jdk对synchronized的不断优化，现在它已经变得没有我们想象的那么重了。由于synchronized使用简单，也不用手动释放锁，因此我们平时开发中用到最多的锁就是它了。

synchronized锁的三种形式

• 普通方法：锁是当前对象实例
• 静态方法：锁是当前类的Class对象
• 同步方法块：锁是synchronized括号里的对象

实现原理

同步代码块在编译后会在前后分别插入monitorenter和monitorexit指令，每个对象在同一时刻只会与一个monitor相关联，当线程执行到monitorenter指令时就会尝试获取对象所对应的monitor的所有权，如果这个monitor已经被其他线程获取，则需要等待锁释放。

对象头

synchronized锁是存在对象头中的。如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字宽存储对象头，如果对象是非数组类型，则用2个字宽存储对象头。在32位虚拟机中，1字宽等于4字节，即32bit。

补充一点：Java对象保存在内存中，由三部分组成：对象头、实例数据、对齐填充字节。Java头由三部分组成：Mark Word、指向类的指针、数组长度（只有数组对象才有）。

32位jvm的Mark Word的存储结构如下

锁状态	25bit	4bit	1bit是否偏向锁	2bit锁标志位
无锁状态	对象的hashCode	对象分代年龄	0	01

Mark Word中的数据随着锁标志位的变化而变化，如下

锁的升级

java1.6以后，为了减少获取锁和释放锁的性能消耗，引入了“偏向锁”和”轻量级锁“。锁的状态可以从无锁状态->偏向锁->轻量级锁->重量级锁，随着竞争情况逐渐升级，但是不能降级。

偏向锁

大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一个线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解释，只需要简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果是，则直接获得锁，执行同步块；如果不是，则使用CAS操作更改线程ID，更改成功获得锁，更改失败开始撤销偏向锁。

撤销偏向锁

偏向锁只有存在锁竞争的情况下才会释放。撤销偏向锁需要等待全局安全点（在这个时间点上没有正在执行的字节码），首先暂停偏向锁持有的线程，然后检查此线程是否活着，如果线程不处于活动状态，则转成无锁状态；如果还活着，升级为轻量级锁。下图展示了偏向锁的获得与撤销过程

轻量级锁

• 加锁：线程在执行同步块之前，jvm会先在线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，然后将对象的Mark Word复制到锁记录中，官方称Displaced Mark Word，再重试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，则获取锁；如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程使用自旋来获取锁。
• 解锁：轻量级锁解锁时，会使用CAS操作将Displaced Mark Word替换回对象头中，如果成功，表示没有竞争发生；如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。下图展示锁膨胀流程图。

重量级锁

因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋，一旦锁升级成重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下，其他线程试图获取锁时，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。