前言

Java 中的 synchronized關鍵字可以在多執行緒環境下用來作為執行緒安全的同步鎖。本文不討論 synchronized 的具體使用，而是研究下synchronized底層的鎖機制，以及這些鎖分別的優缺點。

一 synchronized機制

synchronized關鍵字是JAVA中常用的同步功能，提供了簡單易用的鎖功能。
synchronized有三種用法，分別為:

• 用在普通方法上，能夠鎖住當前物件。
• 用在靜態方法上，能夠鎖住類
• 用在程式碼塊上，鎖住的是synchronized()裡的物件

在JDK6之前，synchronized使用的是重量級鎖制，在之後synchronized

加入了鎖膨脹機制，顯著提升了synchronized關鍵字的效率。

基於synchronized關鍵字，我們來了解下幾種類別的鎖，並且講解synchronized的鎖膨脹機制。

synchronized鎖是非公平鎖。並且一個被synchronized鎖住的物件或類，就是一把鎖。

另外一提，所有鎖都是儲存在Java物件頭裡的，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。也就是說Mark Word記錄了鎖的狀態

二 鎖膨脹機制與幾類鎖

鎖膨脹是不可逆的

2.1 偏向鎖

synchronized在JDK1.6以後預設開啟偏向鎖，synchronized

最初都是偏向鎖

表現：一個執行緒獲取鎖成功後，會在物件頭裡記錄執行緒ID，以後該執行緒獲取和釋放鎖都沒有任何花費。（因為該鎖已經被繫結在該執行緒上了，且在膨脹前不會改變），如果其他執行緒嘗試獲取這個鎖，偏向鎖將會膨脹為輕量鎖。

優點：在只有一個執行緒使用鎖的時候獲取和退出鎖沒有任何花費

缺點：鎖競爭激烈會很快升級為輕量鎖，那麼維持偏向鎖的過程就是在浪費計算機資源。（不過因為偏向鎖本身就很輕量，因此浪費的資源並不多）

小結：只有一個執行緒使用鎖的情況下，synchronized使用的鎖為偏向鎖。
如果鎖競爭激烈，可以通過配置JDK禁用偏向鎖。

2.2 輕量鎖

一把鎖不止一個執行緒使用，則偏向鎖

膨脹為輕量鎖

表現：執行緒獲取輕量鎖時，會直接用CAS修改物件頭裡鎖的記錄，如果修改失敗，代表此時鎖存在多個執行緒的競爭，輕量鎖將會膨脹為重量鎖。

優點：線上程之間使用鎖不存在競爭時，一次CAS操作就能獲取和退出鎖

缺點：與偏向鎖類似

小結：只要一把鎖不止一個執行緒獲取過，偏向鎖就會膨脹為輕量鎖。

2.3 重量鎖

一把鎖存在多執行緒競爭，則輕量鎖開始自旋，自旋一定次數後仍沒獲取鎖，則膨脹為重量鎖(存在競爭時，輕量鎖雖然會先自旋，但是最終往往都會膨脹為重量鎖)

表現：執行緒獲取重量鎖時，如果獲取失敗（即鎖已被其他執行緒獲取），則使用自適應自旋鎖,自旋一定次數後仍沒獲取鎖，則進入阻塞佇列等待。

優點：未獲取到的鎖進入阻塞佇列，節約CPU資源。（好吧感覺其實是沒有啥優點）

缺點：重量鎖是通過物件內部的監視器（monitor）實現，其中monitor的本質是依賴於底層作業系統的Mutex Lock實現，作業系統實現執行緒之間的切換需要從使用者態到核心態的切換，切換成本非常高。

小結：只要一把鎖存在多執行緒競爭，輕量鎖就會膨脹為重量鎖。

自旋鎖

synchronized的輕量鎖，重量鎖，使用了自適應自旋鎖進行效能優化

首先介紹自旋鎖

表現：執行緒獲取鎖失敗後，不會進入阻塞等待，而是再次嘗試去獲取鎖，如此反覆，直到獲取到鎖，或者自旋結束那麼會阻塞等待。

解決問題：在某些場景下，執行緒持有鎖的時間非常短。線上程獲取鎖失敗後，如果執行緒進入阻塞將會帶來執行緒上下文的切換，上下文切換的時間可能反而高於執行緒反覆嘗試獲取鎖的時間。
此時執行緒原地等待去重複獲取鎖。反而在效能上更有優勢。

缺點：

1. 單核CPU沒有執行緒並行，反覆嘗試會導致程序無法繼續執行。
2. 重複嘗試導致了CPU的佔用，如果CPU資源緊張的話反而會效能下降
3. 如果鎖的競爭時間過長，不僅沒有效能提升，還浪費了大量CPU資源。

優化：使用自適應自旋鎖。自適應自旋鎖會根據之前的鎖獲取記錄，優化調整自旋時間，避免造成不必要的自旋。

三 具體synchronized流程

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