0. 前言

目前在Java中存在兩種鎖機制：synchronized和Lock， Lock介面及其實現類是JDK5增加的內容，其作者是大名鼎鼎的併發專家Doug Lea。本文並不比較synchronized與Lock孰優孰劣，只是介紹二者的實現原理。

資料同步需要依賴鎖，那鎖的同步又依賴誰？synchronized給出的答案是在軟體層面依賴JVM，而Lock給出的方案是在硬體層面依賴特殊的CPU指令，大家可能會進一步追問：JVM底層又是如何實現synchronized的？

本文所指說的JVM是指Hotspot的6u23版本，下面首先介紹synchronized的實現：synrhronized關鍵字簡潔、清晰、語義明確，因此即使有了Lock介面，使用的還是非常廣泛。其應用層的語義是可以把任何一個非null物件作為"鎖"，

1. 執行緒狀態及狀態轉換

當多個執行緒同時請求某個物件監視器時，物件監視器會設定幾種狀態用來區分請求的執行緒：
Contention List：所有請求鎖的執行緒將被首先放置到該競爭佇列
Entry List：Contention List中那些有資格成為候選人的執行緒被移到Entry List
Wait Set：那些呼叫wait方法被阻塞的執行緒被放置到Wait Set
OnDeck：任何時刻最多隻能有一個執行緒正在競爭鎖，該執行緒稱為OnDeck
Owner：獲得鎖的執行緒稱為Owner
!Owner：釋放鎖的執行緒

下圖反映了個狀態轉換關係：

新請求鎖的執行緒將首先被加入到ConetentionList中，當某個擁有鎖的執行緒（Owner狀態）呼叫unlock之後，如果發現EntryList為空則從ContentionList中移動執行緒到EntryList， 下面說明下ContentionList和EntryList的實現方式：

1.1 ContentionList虛擬佇列

ContentionList並不是一個真正的Queue，而只是一個虛擬佇列，原因在於ContentionList是由Node及其next指標邏輯構成，並不存在一個Queue的資料結構。ContentionList是一個後進先出（LIFO）的佇列，每次新加入Node時都會在隊頭進行，通過CAS改變第一個節點的的指標為新增節點，同時設定新增節點的next指向後續節點，而取得操作則發生在隊尾。顯然，該結構其實是個Lock-Free(無鎖)的佇列。

因為只有Owner執行緒才能從隊尾取元素，也即執行緒出列操作無爭用，當然也就避免了CAS的ABA問題。

1.2 EntryList

EntryList與ContentionList邏輯上同屬等待佇列，ContentionList會被執行緒併發訪問，為了降低對ContentionList隊尾的爭用，而建立EntryList。 Owner執行緒在unlock時會從ContentionList中遷移執行緒到EntryList，並會指定EntryList中的某個執行緒（一般為Head）為Ready（OnDeck）執行緒。Owner執行緒並不是把鎖傳遞給OnDeck執行緒，只是把競爭鎖的權利交給OnDeck，OnDeck執行緒需要重新競爭鎖。這樣做雖然犧牲了一定的公平性，但極大的提高了整體吞吐量，在Hotspot中把OnDeck的選擇行為稱之為“競爭切換”。

OnDeck執行緒獲得鎖後即變為owner執行緒，無法獲得鎖則會依然留在EntryList中，考慮到公平性，在EntryList中的位置不發生變化（依然在隊頭）。如果Owner執行緒被wait方法阻塞，則轉移到WaitSet佇列；如果在某個時刻被notify/notifyAll喚醒，則再次轉移到EntryList。

2. 自旋鎖

那些處於ContetionList、EntryList、WaitSet中的執行緒均處於阻塞狀態，阻塞操作由作業系統完成（在Linxu下通過pthread_mutex_lock函式）。執行緒被阻塞後便進入核心（Linux）排程狀態，這個會導致系統在使用者態與核心態之間來回切換，嚴重影響鎖的效能。

緩解上述問題的辦法便是自旋，其原理是：當發生爭用時，若Owner執行緒能在很短的時間內釋放鎖， 則那些正在爭用執行緒可以稍微等一等（自旋），在Owner執行緒釋放鎖後，爭用執行緒可能會立即得到鎖，從而避免了系統阻塞。但Owner執行的時間可能會超出了臨界值，爭用執行緒自旋一段時間後還是無法獲得鎖，這時爭用執行緒則會停止自旋進入阻塞狀態（後退）。基本思路就是自旋，不成功再阻塞，儘量降低阻塞的可能性，這對那些執行時間很短的程式碼塊來說有非常重要的效能提高。 自旋鎖有個更貼切的名字：自旋-指數後退鎖，也即複合鎖。很顯然，自旋在多處理器上才有意義。

還有個問題是，執行緒自旋時做些啥？其實啥都不做，可以執行幾次for迴圈，可以執行幾條空的彙編指令，目的是佔著CPU不放，等待獲取鎖的機會。所以說，自旋是把雙刃劍，如果旋的時間過長會影響整體效能，時間過短又達不到延遲阻塞的目的。顯然，自旋的週期選擇顯得非常重要，但這與作業系統、硬體體系、系統的負載等諸多場景相關，很難選擇，如果選擇不當，不但效能得不到提高，可能還會下降，因此大家普遍認為自旋鎖不具有擴充套件性。

對自旋鎖週期的選擇上，HotSpot認為最佳時間應是一個執行緒上下文切換的時間，但目前並沒有做到。經過調查，目前只是通過彙編暫停了幾個CPU週期，除了自旋週期選擇，HotSpot還進行許多其他的自旋優化策略，具體如下：

• 如果平均負載小於CPUs則一直自旋
• 如果有超過(CPUs/2)個執行緒正在自旋，則後來執行緒直接阻塞
• 如果正在自旋的執行緒發現Owner發生了變化則延遲自旋時間（自旋計數）或進入阻塞
• 如果CPU處於節電模式則停止自旋
• 自旋時間的最壞情況是CPU的儲存延遲（CPU A儲存了一個數據，到CPU B得知這個資料直接的時間差）
• 自旋時會適當放棄執行緒優先順序之間的差異

那synchronized實現何時使用了自旋鎖？ 答案是線上程進入ContentionList時，也即第一步操作前。執行緒在進入等待佇列時首先進行自旋嘗試獲得鎖，如果不成功再進入等待佇列。這對那些已經在等待佇列中的執行緒來說，稍微顯得不公平。還有一個不公平的地方是自旋執行緒可能會搶佔了Ready執行緒的鎖。自旋鎖由每個監視物件維護，每個監視物件一個。

3. 偏向鎖

在JVM1.6中引入了偏向鎖，偏向鎖主要解決無競爭下的鎖效能問題， 首先我們看下無競爭下鎖存在什麼問題：
現在幾乎所有的鎖都是可重入的，也即已經獲得鎖的執行緒可以多次鎖住/解鎖監視物件，按照之前的HotSpot設計，每次加鎖/解鎖都會涉及到一些CAS操作（比如對等待佇列的CAS操作），CAS操作會延遲本地呼叫，因此偏向鎖的想法是一旦執行緒第一次獲得了監視物件，之後讓監視物件“偏向”這個執行緒，之後的多次呼叫則可以避免CAS操作，說白了就是置個變數，如果發現為true則無需再走各種加鎖/解鎖流程。 但還有很多概念需要解釋、很多引入的問題需要解決：

3.1 CAS及SMP架構

CAS為什麼會引入本地延遲？這要從SMP（對稱多處理器）架構說起，下圖大概表明了SMP的結構：

其意思是所有的CPU會共享一條系統匯流排（BUS），靠此匯流排連線主存。每個核都有自己的一級快取，各核相對於BUS對稱分佈，因此這種結構稱為“對稱多處理器”。

而CAS的全稱為Compare-And-Swap，是一條CPU的原子指令，其作用是讓CPU比較後原子地更新某個位置的值，經過調查發現，其實現方式是基於硬體平臺的彙編指令，就是說CAS是靠硬體實現的，JVM只是封裝了彙編呼叫，那些AtomicInteger類便是使用了這些封裝後的介面。

Core1和Core2可能會同時把主存中某個位置的值Load到自己的L1 Cache中，當Core1在自己的L1 Cache中修改這個位置的值時，會通過匯流排，使Core2中L1 Cache對應的值“失效”，而Core2一旦發現自己L1 Cache中的值失效（稱為Cache命中缺失）則會通過匯流排從記憶體中載入該地址最新的值，大家通過匯流排的來回通訊稱為“Cache一致性流量”，因為匯流排被設計為固定的“通訊能力”，如果Cache一致性流量過大，匯流排將成為瓶頸。而當Core1和Core2中的值再次一致時，稱為“Cache一致性”，從這個層面來說，鎖設計的終極目標便是減少Cache一致性流量。

而CAS恰好會導致Cache一致性流量，如果有很多執行緒都共享同一個物件，當某個Core CAS成功時必然會引起匯流排風暴，這就是所謂的本地延遲，本質上偏向鎖就是為了消除CAS，降低Cache一致性流量。

3.2 偏向解除

偏向鎖引入的一個重要問題是，在多爭用的場景下，如果另外一個執行緒爭用偏向物件，擁有者需要釋放偏向鎖，而釋放的過程會帶來一些效能開銷，但總體說來偏向鎖帶來的好處還是大於CAS代價的。

4. 總結

關於鎖，JVM中還引入了一些其他技術比如鎖膨脹等，這些與自旋鎖、偏向鎖相比影響不是很大，這裡就不做介紹。
通過上面的介紹可以看出，synchronized的底層實現主要依靠Lock-Free的佇列，基本思路是自旋後阻塞，競爭切換後繼續競爭鎖，稍微犧牲了公平性，但獲得了高吞吐量。