锁原理之synchronized

蜀国有一个皇帝叫蜀道难，他比较难伺候，别的皇帝早朝都是在大殿上同时接见所有大臣，共商国是。他不一样，他说早朝你们不要有事没事都跑过来叽叽喳喳，有事则来，无事则该干啥干啥去，然后安排太监每天早上在大门口守着，每次只允许一个大臣进来汇报情况。
“你敢多放进来一个就砍脑袋的干活。”
太监赶紧下跪，说“谪！”。
第一天，太监传话钦天监求见，皇帝允了，钦天监上殿报曰：“臣禀报，昨日我司夜观星象，西方忽现王星忽明忽暗，恐戎狄那边有乱。”
“朕知道了，退下吧”。一日无事。
第二天，太监传话钦天监求见，皇帝允了。一日无事。
第三天，太监传话钦天监求见……一日无事。
第四天，钦天监……一日无事。
第五天，皇帝不耐烦了，和贾太监说，钦天监这老家伙整天是不是闲着没事，以后他来了不用给我禀报，直接放他上殿讲，讲完让他走吧。
国泰民安的日子依旧过着，每天只有钦天监一个人来报告，贾太监每次看到是钦天监来了，也懒得搭理了，直接放他进去了。（这就是偏向锁，稍后我细细道来）
又一日，钦天监如往常进殿报道，贾太监站在门口打着盹，忽然耳边传来一个声音：
“贾太监，帮我禀告圣上，工部李尚书求见。”
“emmm…进去吧…嗯？等等，尚书大人你先等等，钦天监在里面，你等会再来求见吧。”太监一阵后怕，寻思着钦天监还在里面呢，这要是放进去了，我这脑袋可就没了，果然嗜睡误事。
过了一会儿，李尚书回来询问求见，被告知钦天监还没走，只好又离去。
又过了一会儿，李尚书又回来询问求见，正巧钦天监走了，太监进殿传话说工部李尚书求见，皇帝宣觐见，李尚书进殿上报了一番东南连连大雨，已派人去监察水利，修缮河堤。（这就是轻量级锁）
忽一日，西戎狄和北匈奴同时对帝国西方和北方发难，前线战事消息如片片雪花纷纷涌入京城，瞬间殿外来了一群大臣有要事禀告。
一会儿这个来问贾公公我可以进去了吗？一会儿那个来问贾公公我可以进去了吗？
把贾太监累的哟，一天下来光说“稍后再来”都把嘴皮子磨破了，没几日，贾太监就跪在皇帝面前哭泣道：“圣上啊，快想想办法呀，奴才这身子骨就要交代在门口了。”
皇帝一听，说你傻啊，叫他们一个个在门外排队啊，谁叫你要他们稍后来求见的。
贾太监细思大喜，觉得有理，次日在门口竖起一个牌子“禀报要事者，这边排队”，贾太监再也不用一个人对着一群人反复回话，只需要每次出来一个，然后传话放进去一个，就可以了。（这就是重量级锁）
上面这个故事，分别讲述了synchronized内部四种级别的状态，分别是：无锁状态，偏向锁状态，轻量级锁状态，重量级锁状态。

重量级锁状态

我们首先从重量级锁开始讲，重量级锁是通过互斥量（Mutex）来实现的，即一个线程进入了synchronized同步块，在未完成任务时，会阻塞后面的所有线程。
就像上面的故事所讲的，要禀告要事的大臣只能在大殿门口外一个接一个的阻塞排队。
之所以称它为重量级锁，是因为Java线程是映射到操作系统的原生线程上的，如果要阻塞或唤醒一个线程，都需要依靠操作系统从当前用户态转换到核心态中，这种状态转换需要耗费处理器很多时间，对于简单同步块，可能状态转换时间比用户代码执行时间还要长，导致实际业务处理所占比偏小，性能损失较大。
当然这个在虚拟机层面进行了一些比如自旋等待，锁粗化等等的优化，避免陷入频繁的切换状态。在这里我就不细讲了，有兴趣的可以关注我，我后续再和各位看官讲上一讲。

轻量级锁状态

轻量级锁是JDK6引入的，它的轻量是相较于通过系统互斥量实现的传统锁，轻量锁并不是用来取代重量级锁的，而是在没有大量线程竞争的情况下，减少系统互斥量的使用，降低性能的损耗。
轻量级锁是通过CAS（Compare And Swap）机制实现的，即如果锁被其他线程所占用，当前线程会通过自旋来获取锁，从而避免用户态与核心态的转换。
就像上面故事所说的，大殿中钦天监在汇报工作，工部尚书要求见，并不需要贾太监每次都进去问一下皇帝，惹得皇帝龙颜大怒，而是大臣自己隔一段时间便来询问贾太监能不能进去，不能就稍后再来问，直到可以进去为止。

偏向锁状态

偏向锁也是JDK6引入的，它存在的依据是“大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得”。它是通过记录第一次进入同步块的线程id来实现的，如果下一个要进入同步块的线程与记录的线程id相同，则说明这个锁由此线程占有，可以直接进入到同步块，不用执行CAS。
就像故事中的，如果每天只有钦天监一个人来的话，就不用贾太监禀告了，贾太监每次一看到钦天监，寻思着，哟，钦天监呢，您自个儿直接进去吧，说完自个儿出来吧。
如果说轻量锁是为了消除系统互斥量带来的性能损耗，那么偏向锁就是为了消除CAS带来的性能损耗，使之在无竞争的情况下消除整个同步，性能无限接近非同步。

如何通过这四种状态实现性能大幅度提升的

Java对象头

要说这个问题，我们需要先讲一下Java对象头，每个对象都会有一个对象头，它分为三个部分：

从表格可见，synchronized锁的信息是存在对象头里一个叫Mark Word的区域里的，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成非固定的数据结构，会根据对象的状态复用存储空间来存储不同的内容：

锁的升级

当JVM启用了偏向锁模式（JDK6以上默认开启），新创建对象的Mark Word是未锁定，未偏向但可偏向状态，此时Mark Word中的Thread id为0，表示未偏向任何线程，也叫做匿名偏向(anonymously biased)。

偏向锁状态--->无锁不可偏向状态/轻量级锁状态

当第一个线程尝试进入同步块时，发现Mark Word中线程ID为0，则会使用CAS将自己的线程ID设置到Mark Word中，并且，在当前线程栈中由高到低顺序找到可用的Lock Record，将线程ID记录下。完成这些，此线程就获取了锁对象的偏向锁。
当该偏向线程再次进入同步块时，发现锁对象偏向的就是当前线程，会往当前线程的栈中添加一条Displaced Mark Word为空的Lock Record中，用来统计重入的次数，然后继续执行同步块代码，因为线程栈是私有的，不需要CAS指令进行操作，所以在偏向锁模式下，同一个线程，只会执行一个CAS，之后获取释放锁只需要对Lock Record做操作，性能损耗基本可以忽略。
当另外一个线程试图进入同步块时，发现Mark Word中线程ID与自己不相符，这个时候就会引发偏向锁的撤销，变成无锁不可偏向状态或轻量级锁状态，当然，这只是宏观上的描述，严格意义上讲是不准确的，因为里面还存在重偏向机制，这里就不过于深入，在后续的文章中，我会专门出一篇文章，给各位看官详细介绍偏向锁到底是怎么回事。

无锁不可偏向状态--->轻量级锁状态

当锁对象变成无锁不可偏向状态时，多个线程运行到同步块以后，会检查锁对象状态值标志是否加锁，如果没有锁，就把锁对象的Mark Word信息拷贝存储到当前线程栈桢中Lock Record里，然后通过CAS尝试把对象的Mark Word的值改变成一个指向自己线程的指针。如果成功，则当前线程获得锁对象的轻量级锁，其他线程的CAS就会失败，因为锁对象的Mark Word已经变成一个新的指针了，必须等待线程释放锁，此时其他线程则通过自旋来竞争锁。当获取锁的线程执行完毕释放锁的时候，会将Lock Record里面之前拷贝的值还原到锁对象的Mark Word中。

轻量级锁状态--->重量级锁状态

当自旋次数超过JVM预期上限，会影响性能，所以竞争的线程就会把锁对象的Mark Word指向重锁，所谓的重锁，实际上就是一个堆上的monitor对象，即，重量级锁的状态下，对象的Mark Word为指向一个堆中monitor对象的指针。
然后所有的竞争线程放弃自旋，逐个插入到monitor对象里的一个队列尾部，进入阻塞状态。
当成功获取轻量级锁的线程执行完毕，尝试通过CAS释放锁时，因为Mark Word已经指向重锁，导致轻量级锁释放失败，这时线程就会知道锁已经升级为重量级锁，它不仅要释放当前锁，还要唤醒其他阻塞的线程来重新竞争锁。
大概流程如下图所示：

这里有一点需注意的是：锁只能升级，不能降级。

锁的对比

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，和执行非同步方法相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	竞争的线程不会堵塞，提高了程序的响音速度	始终得不到锁的线程，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，同步块执行速度较慢

synchronized的底层实现

synchronized无非以下两种：
1.对象锁：修饰非静态方法，修饰代码块
2.类锁：修饰静态方法，修饰代码块
其中按照修饰类型来分，又可以分为代码块同步和方法同步

代码块同步

代码块同步锁的是对象，使用monitorenter和monitorexit指令实现的。虽然我知道多一行代码少一位看官的定理，但是这里还是必须贴一张代码图，来证明我没有瞎说，是有理有据的“理据服”。
想要降服妖怪，就得先将其打回原形，所以我们先对一段简单的代码进行反编译，得到它的字节码。

  final Object lock = new Object();public int subtr(int i){synchronized (lock){return i-1;}}

字节码：

对象锁反编译

可以看出，monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，monitorexit插入到同步代码块结束的地方，正常情况下monitorenter和monitorexit是一对一的匹配，而后面又出现了一个monitorexit，是因为那里是异常处，用来保证方法执行异常的时候，可以自动释放锁，而不会造成死锁。

方法同步

方法同步的实现官方没有透露，我们尝试对一个方法同步的代码进行反编译。

    public synchronized int add(int i){return i+1;}

字节码：

同步方法反编译

从字节码里也看不到monitorenter和monitorexit，只能发现flags那里，多了一个ACC_SYNCHRONIZED的标示，没什么头绪。不过我猜想，底层应该是锁方法所属的对象或类。

这就是synchronized的大致原理，打回原形之后来看，是不是就觉得也不过如此？