1 引言

在多執行緒併發程式設計中Synchronized一直是元老級角色，很多人都會稱呼它為重量級鎖，但是隨著Java SE1.6對Synchronized進行了各種優化之後，有些情況下它並不那麼重了，本文詳細介紹了Java SE1.6中為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的效能消耗而引入的偏向鎖和輕量級鎖，以及鎖的儲存結構和升級過程。

2 術語定義

3 同步的基礎

Java中的每一個物件都可以作為鎖。

• 對於同步方法，鎖是當前例項物件。
• 對於靜態同步方法，鎖是當前物件的Class物件。
• 對於同步方法塊，鎖是Synchonized括號裡配置的物件。

當一個執行緒試圖訪問同步程式碼塊時，它首先必須得到鎖，退出或丟擲異常時必須釋放鎖。那麼鎖存在哪裡呢？鎖裡面會儲存什麼資訊呢？

4 同步的原理

JVM規範規定JVM基於進入和退出Monitor物件來實現方法同步和程式碼塊同步，但兩者的實現細節不一樣。程式碼塊同步是使用monitorenter和monitorexit指令實現，而方法同步是使用另外一種方式實現的，細節在JVM規範裡並沒有詳細說明，但是方法的同步同樣可以使用這兩個指令來實現。monitorenter指令是在編譯後插入到同步程式碼塊的開始位置，而monitorexit是插入到方法結束處和異常處， JVM要保證每個monitorenter必須有對應的monitorexit與之配對。任何物件都有一個 monitor 與之關聯，當且一個monitor 被持有後，它將處於鎖定狀態。執行緒執行到 monitorenter 指令時，將會嘗試獲取物件所對應的 monitor 的所有權，即嘗試獲得物件的鎖。

4.1 Java物件頭

鎖存在Java物件頭裡。如果物件是陣列型別，則虛擬機器用3個Word（字寬）儲存物件頭，如果物件是非陣列型別，則用2字寬儲存物件頭。在32位虛擬機器中，一字寬等於四位元組，即32bit。

Java物件頭裡的Mark Word裡預設儲存物件的HashCode，分代年齡和鎖標記位。32位JVM的Mark Word的預設儲存結構如下：

在執行期間Mark Word裡儲存的資料會隨著鎖標誌位的變化而變化。Mark Word可能變化為儲存以下4種資料：

在64位虛擬機器下，Mark Word是64bit大小的，其儲存結構如下：

4.2 鎖的升級

Java SE1.6為了減少獲得鎖和釋放鎖所帶來的效能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級鎖”，所以在Java SE1.6裡鎖一共有四種狀態，無鎖狀態，偏向鎖狀態，輕量級鎖狀態和重量級鎖狀態，它會隨著競爭情況逐漸升級。鎖可以升級但不能降級，意味著偏向鎖升級成輕量級鎖後不能降級成偏向鎖。這種鎖升級卻不能降級的策略，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率，下文會詳細分析。

4.3 偏向鎖

Hotspot的作者經過以往的研究發現大多數情況下鎖不僅不存在多執行緒競爭，而且總是由同一執行緒多次獲得，為了讓執行緒獲得鎖的代價更低而引入了偏向鎖。當一個執行緒訪問同步塊並獲取鎖時，會在物件頭和棧幀中的鎖記錄裡儲存鎖偏向的執行緒ID，以後該執行緒在進入和退出同步塊時不需要花費CAS操作來加鎖和解鎖，而只需簡單的測試一下物件頭的Mark Word裡是否儲存著指向當前執行緒的偏向鎖，如果測試成功，表示執行緒已經獲得了鎖，如果測試失敗，則需要再測試下Mark Word中偏向鎖的標識是否設定成1（表示當前是偏向鎖），如果沒有設定，則使用CAS競爭鎖，如果設定了，則嘗試使用CAS將物件頭的偏向鎖指向當前執行緒。

偏向鎖的撤銷：偏向鎖使用了一種等到競爭出現才釋放鎖的機制，所以當其他執行緒嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的執行緒才會釋放鎖。偏向鎖的撤銷，需要等待全域性安全點（在這個時間點上沒有位元組碼正在執行），它會首先暫停擁有偏向鎖的執行緒，然後檢查持有偏向鎖的執行緒是否活著，如果執行緒不處於活動狀態，則將物件頭設定成無鎖狀態，如果執行緒仍然活著，擁有偏向鎖的棧會被執行，遍歷偏向物件的鎖記錄，棧中的鎖記錄和物件頭的Mark Word要麼重新偏向於其他執行緒，要麼恢復到無鎖或者標記物件不適合作為偏向鎖，最後喚醒暫停的執行緒。下圖中的執行緒1演示了偏向鎖初始化的流程，執行緒2演示了偏向鎖撤銷的流程。

關閉偏向鎖：偏向鎖在Java 6和Java 7裡是預設啟用的，但是它在應用程式啟動幾秒鐘之後才啟用，如有必要可以使用JVM引數來關閉延遲-XX：BiasedLockingStartupDelay = 0。如果你確定自己應用程式裡所有的鎖通常情況下處於競爭狀態，可以通過JVM引數關閉偏向鎖-XX:-UseBiasedLocking=false，那麼預設會進入輕量級鎖狀態。

4.4 輕量級鎖

輕量級鎖加鎖：執行緒在執行同步塊之前，JVM會先在當前執行緒的棧楨中建立用於儲存鎖記錄的空間，並將物件頭中的Mark Word複製到鎖記錄中，官方稱為Displaced Mark Word。然後執行緒嘗試使用CAS將物件頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指標。如果成功，當前執行緒獲得鎖，如果失敗，表示其他執行緒競爭鎖，當前執行緒便嘗試使用自旋來獲取鎖。

輕量級鎖解鎖：輕量級解鎖時，會使用原子的CAS操作來將Displaced Mark Word替換回到物件頭，如果成功，則表示沒有競爭發生。如果失敗，表示當前鎖存在競爭，鎖就會膨脹成重量級鎖。下圖是兩個執行緒同時爭奪鎖，導致鎖膨脹的流程圖。

因為自旋會消耗CPU，為了避免無用的自旋（比如獲得鎖的執行緒被阻塞住了），一旦鎖升級成重量級鎖，就不會再恢復到輕量級鎖狀態。當鎖處於這個狀態下，其他執行緒試圖獲取鎖時，都會被阻塞住，當持有鎖的執行緒釋放鎖之後會喚醒這些執行緒，被喚醒的執行緒就會進行新一輪的奪鎖之爭。

5 鎖的優缺點對比

6 參考原始碼

本文一些內容參考了HotSpot原始碼 。物件頭原始碼markOop.hpp。偏向鎖原始碼biasedLocking.cpp。以及其他原始碼ObjectMonitor.cpp和BasicLock.cpp。

7 參考資料