記得剛剛開始學習Java的時候，一遇到多線程情況就是synchronized，相對于當時的我們來說synchronized是這麼的神奇而又強大，那個時候我們賦予它一個名字“同步”，也成為了我們解決多線程情況的百試不爽的良藥。但是，随着我們學習的進行我們知道synchronized是一個重量級鎖，相對于Lock，它會顯得那麼笨重，以至于我們認為它不是那麼的高效而慢慢摒棄它。
誠然，随着Javs SE 1.6對synchronized進行的各種優化後，synchronized并不會顯得那麼重了。下面跟随LZ一起來探索synchronized的實作機制、Java是如何對它進行了優化、鎖優化機制、鎖的存儲結構和更新過程；
synchronized可以保證方法或者代碼塊在運作時，同一時刻隻有一個方法可以進入到臨界區，同時它還可以保證共享變量的記憶體可見性
Java中每一個對象都可以作為鎖，這是synchronized實作同步的基礎：
普通同步方法，鎖是目前執行個體對象
靜态同步方法，鎖是目前類的class對象
同步方法塊，鎖是括号裡面的對象
當一個線程通路同步代碼塊時，它首先是需要得到鎖才能執行同步代碼，當退出或者抛出異常時必須要釋放鎖，那麼它是如何來實作這個機制的呢？我們先看一段簡單的代碼：
利用javap工具檢視生成的class檔案資訊來分析Synchronize的實作
從上面可以看出，同步代碼塊是使用monitorenter和monitorexit指令實作的，同步方法（在這看不出來需要看JVM底層實作）依靠的是方法修飾符上的ACC_SYNCHRONIZED實作。
同步代碼塊：monitorenter指令插入到同步代碼塊的開始位置，monitorexit指令插入到同步代碼塊的結束位置，JVM需要保證每一個monitorenter都有一個monitorexit與之相對應。任何對象都有一個monitor與之相關聯，當且一個monitor被持有之後，他将處于鎖定狀态。線程執行到monitorenter指令時，将會嘗試擷取對象所對應的monitor所有權，即嘗試擷取對象的鎖；
同步方法：synchronized方法則會被翻譯成普通的方法調用和傳回指令如:invokevirtual、areturn指令，在VM位元組碼層面并沒有任何特别的指令來實作被synchronized修飾的方法，而是在Class檔案的方法表中将該方法的access_flags字段中的synchronized标志位置1，表示該方法是同步方法并使用調用該方法的對象或該方法所屬的Class在JVM的内部對象表示Klass做為鎖對象。(摘自：http://www.cnblogs.com/javaminer/p/3889023.html)
下面我們來繼續分析，但是在深入之前我們需要了解兩個重要的概念：Java對象頭，Monitor。
Java對象頭和monitor是實作synchronized的基礎！下面就這兩個概念來做詳細介紹。
synchronized用的鎖是存在Java對象頭裡的，那麼什麼是Java對象頭呢？Hotspot虛拟機的對象頭主要包括兩部分資料：Mark Word（标記字段）、Klass Pointer（類型指針）。其中Klass Point是是對象指向它的類中繼資料的指針，虛拟機通過這個指針來确定這個對象是哪個類的執行個體，Mark Word用于存儲對象自身的運作時資料，它是實作輕量級鎖和偏向鎖的關鍵，是以下面将重點闡述
Mark Word用于存儲對象自身的運作時資料，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀态标志、線程持有的鎖、偏向線程 ID、偏向時間戳等等。Java對象頭一般占有兩個機器碼（在32位虛拟機中，1個機器碼等于4位元組，也就是32bit），但是如果對象是數組類型，則需要三個機器碼，因為JVM虛拟機可以通過Java對象的中繼資料資訊确定Java對象的大小，但是無法從數組的中繼資料來确認數組的大小，是以用一塊來記錄數組長度。下圖是Java對象頭的存儲結構（32位虛拟機）：
對象頭資訊是與對象自身定義的資料無關的額外存儲成本，但是考慮到虛拟機的空間效率，Mark Word被設計成一個非固定的資料結構以便在極小的空間記憶體存儲盡量多的資料，它會根據對象的狀态複用自己的存儲空間，也就是說，Mark Word會随着程式的運作發生變化，變化狀态如下（32位虛拟機）：
什麼是Monitor？我們可以把它了解為一個同步工具，也可以描述為一種同步機制，它通常被描述為一個對象。
與一切皆對象一樣，所有的Java對象是天生的Monitor，每一個Java對象都有成為Monitor的潛質，因為在Java的設計中 ，每一個Java對象自打娘胎裡出來就帶了一把看不見的鎖，它叫做内部鎖或者Monitor鎖。
Monitor 是線程私有的資料結構，每一個線程都有一個可用monitor record清單，同時還有一個全局的可用清單。每一個被鎖住的對象都會和一個monitor關聯（對象頭的MarkWord中的LockWord指向monitor的起始位址），同時monitor中有一個Owner字段存放擁有該鎖的線程的唯一辨別，表示該鎖被這個線程占用。其結構如下：
Owner：初始時為NULL表示目前沒有任何線程擁有該monitor record，當線程成功擁有該鎖後儲存線程唯一辨別，當鎖被釋放時又設定為NULL；
EntryQ:關聯一個系統互斥鎖（semaphore），阻塞所有試圖鎖住monitor record失敗的線程。
RcThis:表示blocked或waiting在該monitor record上的所有線程的個數。
Nest:用來實作重入鎖的計數。
HashCode:儲存從對象頭拷貝過來的HashCode值（可能還包含GC age）。
Candidate:用來避免不必要的阻塞或等待線程喚醒，因為每一次隻有一個線程能夠成功擁有鎖，如果每次前一個釋放鎖的線程喚醒所有正在阻塞或等待的線程，會引起不必要的上下文切換（從阻塞到就緒然後因為競争鎖失敗又被阻塞）進而導緻性能嚴重下降。Candidate隻有兩種可能的值0表示沒有需要喚醒的線程1表示要喚醒一個繼任線程來競争鎖。
摘自：Java中synchronized的實作原理與應用）
我們知道synchronized是重量級鎖，效率不怎麼滴，同時這個觀念也一直存在我們腦海裡，不過在jdk 1.6中對synchronize的實作進行了各種優化，使得它顯得不是那麼重了，那麼JVM采用了那些優化手段呢？
jdk1.6對鎖的實作引入了大量的優化，如自旋鎖、适應性自旋鎖、鎖消除、鎖粗化、偏向鎖、輕量級鎖等技術來減少鎖操作的開銷。
鎖主要存在四中狀态，依次是：無鎖狀态、偏向鎖狀态、輕量級鎖狀态、重量級鎖狀态，他們會随着競争的激烈而逐漸更新。注意鎖可以更新不可降級，這種政策是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。
線程的阻塞和喚醒需要CPU從使用者态轉為核心态，頻繁的阻塞和喚醒對CPU來說是一件負擔很重的工作，勢必會給系統的并發性能帶來很大的壓力。同時我們發現在許多應用上面，對象鎖的鎖狀态隻會持續很短一段時間，為了這一段很短的時間頻繁地阻塞和喚醒線程是非常不值得的。是以引入自旋鎖。
何謂自旋鎖？
所謂自旋鎖，就是讓該線程等待一段時間，不會被立即挂起，看持有鎖的線程是否會很快釋放鎖。怎麼等待呢？執行一段無意義的循環即可（自旋）。
自旋等待不能替代阻塞，先不說對處理器數量的要求（多核，貌似現在沒有單核的處理器了），雖然它可以避免線程切換帶來的開銷，但是它占用了處理器的時間。如果持有鎖的線程很快就釋放了鎖，那麼自旋的效率就非常好，反之，自旋的線程就會白白消耗掉處理的資源，它不會做任何有意義的工作，典型的占着茅坑不拉屎，這樣反而會帶來性能上的浪費。是以說，自旋等待的時間（自旋的次數）必須要有一個限度，如果自旋超過了定義的時間仍然沒有擷取到鎖，則應該被挂起。
自旋鎖在JDK 1.4.2中引入，預設關閉，但是可以使用-XX:+UseSpinning開開啟，在JDK1.6中預設開啟。同時自旋的預設次數為10次，可以通過參數-XX:PreBlockSpin來調整；
如果通過參數-XX:preBlockSpin來調整自旋鎖的自旋次數，會帶來諸多不便。假如我将參數調整為10，但是系統很多線程都是等你剛剛退出的時候就釋放了鎖（假如你多自旋一兩次就可以擷取鎖），你是不是很尴尬。于是JDK1.6引入自适應的自旋鎖，讓虛拟機會變得越來越聰明。
JDK 1.6引入了更加聰明的自旋鎖，即自适應自旋鎖。所謂自适應就意味着自旋的次數不再是固定的，它是由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀态來決定。它怎麼做呢？線程如果自旋成功了，那麼下次自旋的次數會更加多，因為虛拟機認為既然上次成功了，那麼此次自旋也很有可能會再次成功，那麼它就會允許自旋等待持續的次數更多。反之，如果對于某個鎖，很少有自旋能夠成功的，那麼在以後要或者這個鎖的時候自旋的次數會減少甚至省略掉自旋過程，以免浪費處理器資源。
有了自适應自旋鎖，随着程式運作和性能監控資訊的不斷完善，虛拟機對程式鎖的狀況預測會越來越準确，虛拟機會變得越來越聰明。
為了保證資料的完整性，我們在進行操作時需要對這部分操作進行同步控制，但是在有些情況下，JVM檢測到不可能存在共享資料競争，這是JVM會對這些同步鎖進行鎖消除。鎖消除的依據是逃逸分析的資料支援。
如果不存在競争，為什麼還需要加鎖呢？是以鎖消除可以節省毫無意義的請求鎖的時間。變量是否逃逸，對于虛拟機來說需要使用資料流分析來确定，但是對于我們程式員來說這還不清楚麼？我們會在明明知道不存在資料競争的代碼塊前加上同步嗎？但是有時候程式并不是我們所想的那樣？我們雖然沒有顯示使用鎖，但是我們在使用一些JDK的内置API時，如StringBuffer、Vector、HashTable等，這個時候會存在隐形的加鎖操作。比如StringBuffer的append()方法，Vector的add()方法：
在運作這段代碼時，JVM可以明顯檢測到變量vector沒有逃逸出方法vectorTest()之外，是以JVM可以大膽地将vector内部的加鎖操作消除。
我們知道在使用同步鎖的時候，需要讓同步塊的作用範圍盡可能小—僅在共享資料的實際作用域中才進行同步，這樣做的目的是為了使需要同步的操作數量盡可能縮小，如果存在鎖競争，那麼等待鎖的線程也能盡快拿到鎖。
在大多數的情況下，上述觀點是正确的，LZ也一直堅持着這個觀點。但是如果一系列的連續加鎖解鎖操作，可能會導緻不必要的性能損耗，是以引入鎖粗話的概念。
鎖粗話概念比較好了解，就是将多個連續的加鎖、解鎖操作連接配接在一起，擴充成一個範圍更大的鎖。如上面執行個體：vector每次add的時候都需要加鎖操作，JVM檢測到對同一個對象（vector）連續加鎖、解鎖操作，會合并一個更大範圍的加鎖、解鎖操作，即加鎖解鎖操作會移到for循環之外。
引入輕量級鎖的主要目的是在多沒有多線程競争的前提下，減少傳統的重量級鎖使用作業系統互斥量産生的性能消耗。當關閉偏向鎖功能或者多個線程競争偏向鎖導緻偏向鎖更新為輕量級鎖，則會嘗試擷取輕量級鎖，其步驟如下：
擷取鎖
判斷目前對象是否處于無鎖狀态（hashcode、0、01），若是，則JVM首先将在目前線程的棧幀中建立一個名為鎖記錄（Lock Record）的空間，用于存儲鎖對象目前的Mark Word的拷貝（官方把這份拷貝加了一個Displaced字首，即Displaced Mark Word）；否則執行步驟（3）；
JVM利用CAS操作嘗試将對象的Mark Word更新為指向Lock Record的指正，如果成功表示競争到鎖，則将鎖标志位變成00（表示此對象處于輕量級鎖狀态），執行同步操作；如果失敗則執行步驟（3）；
判斷目前對象的Mark Word是否指向目前線程的棧幀，如果是則表示目前線程已經持有目前對象的鎖，則直接執行同步代碼塊；否則隻能說明該鎖對象已經被其他線程搶占了，這時輕量級鎖需要膨脹為重量級鎖，鎖标志位變成10，後面等待的線程将會進入阻塞狀态；
釋放鎖
輕量級鎖的釋放也是通過CAS操作來進行的，主要步驟如下：
取出在擷取輕量級鎖儲存在Displaced Mark Word中的資料；
用CAS操作将取出的資料替換目前對象的Mark Word中，如果成功，則說明釋放鎖成功，否則執行（3）；
如果CAS操作替換失敗，說明有其他線程嘗試擷取該鎖，則需要在釋放鎖的同時需要喚醒被挂起的線程。
對于輕量級鎖，其性能提升的依據是“對于絕大部分的鎖，在整個生命周期内都是不會存在競争的”，如果打破這個依據則除了互斥的開銷外，還有額外的CAS操作，是以在有多線程競争的情況下，輕量級鎖比重量級鎖更慢；
下圖是輕量級鎖的擷取和釋放過程
引入偏向鎖主要目的是：為了在無多線程競争的情況下盡量減少不必要的輕量級鎖執行路徑。上面提到了輕量級鎖的加鎖解鎖操作是需要依賴多次CAS原子指令的。那麼偏向鎖是如何來減少不必要的CAS操作呢？我們可以檢視Mark work的結構就明白了。隻需要檢查是否為偏向鎖、鎖辨別為以及ThreadID即可，處理流程如下：
檢測Mark Word是否為可偏向狀态，即是否為偏向鎖1，鎖辨別位為01；
若為可偏向狀态，則測試線程ID是否為目前線程ID，如果是，則執行步驟（5），否則執行步驟（3）；
如果線程ID不為目前線程ID，則通過CAS操作競争鎖，競争成功，則将Mark Word的線程ID替換為目前線程ID，否則執行線程（4）；
通過CAS競争鎖失敗，證明目前存在多線程競争情況，當到達全局安全點，獲得偏向鎖的線程被挂起，偏向鎖更新為輕量級鎖，然後被阻塞在安全點的線程繼續往下執行同步代碼塊；
執行同步代碼塊
偏向鎖的釋放采用了一種隻有競争才會釋放鎖的機制，線程是不會主動去釋放偏向鎖，需要等待其他線程來競争。偏向鎖的撤銷需要等待全局安全點（這個時間點是上沒有正在執行的代碼）。其步驟如下：
暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對象石是否還處于被鎖定狀态；
撤銷偏向蘇，恢複到無鎖狀态（01）或者輕量級鎖的狀态；
下圖是偏向鎖的擷取和釋放流程
重量級鎖通過對象内部的螢幕（monitor）實作，其中monitor的本質是依賴于底層作業系統的Mutex Lock實作，作業系統實作線程之間的切換需要從使用者态到核心态的切換，切換成本非常高。
周志明：《深入了解Java虛拟機》
方騰飛：《Java并發程式設計的藝術》
Java中synchronized的實作原理與應用
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作者：chenssy。一個專注于【死磕 Java】系列創作的男人
出處：https://www.cnblogs.com/chenssy/p/15685895.html
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