前言

锁升级依赖于对象头中MarkWord,须先行了解
对象的内存布局与对象头

Synchronized的性能变化

锁优化背景

1. Java5以前,只有Synchronized,这个是操作系统级别的重量级操作,重量级锁,假如锁的竞争比较激烈的话,性能下降

2. 在Java早期版本中,synchronized属于重量级锁,效率低下,因为监视器锁(monitor)是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的,挂起线程和恢复线程都需要转入内核态去完成,阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成,这种状态切换需要耗费处理器时间,如果同步代码块中内容过于简单,这种切换的时间可能比用户代码执行的时间还长,时间成本相对较高,这也是为什么早期的synchronized效率低的原因
   Java6之后,为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗,引入了轻量级锁和偏向锁。

为什么每一个对象都可以成为一个锁?

打开jvm源码markOop.hpp可以看到

• Java对象是天生的Monitor,每一个Java对象都有成为Monitor的潜质,因为在Java的设计中 ,每一个Java对象自打娘胎里出来就带了一把看不见的锁,它叫做内部锁或者Monitor锁。
• Monitor的本质是依赖于底层操作系统的Mutex Lock实现,操作系统实现线程之间的切换需要从用户态到内核态的转换,成本非常高。
  
  Monitor是在jvm底层实现的,底层代码是c++。本质是依赖于底层操作系统的Mutex Lock实现,操作系统实现线程之间的切换需要从用户态到内核态的转换,状态转换需要耗费很多的处理器时间成本非常高。所以synchronized是Java语言中的一个重量级操作。

Monitor与java对象以及线程是如何关联？

1.如果一个java对象被某个线程锁住，则java对象的Mark Word字段中LockWord指向monitor的起始地址
2.Monitor的Owner字段会存放拥有相关联对象锁的线程id

锁的升级过程

一、多线程访问情况

1. 只有一个线程来访问，有且唯一Only One
2. 有多个线程(2公线程A、B来交替访问)
3. 竞争激烈，更多个线程来访问

升级流程

synchronized用的锁是存在Java对象头里的Mark Word中，锁升级功能主要依赖MarkWord中锁标志位和释放偏向锁标志位
64位图：

锁指向：

偏向锁：MarkWord存储的是偏向的线程ID;
轻量锁：MarkWord存储的是指向线程栈中Lock Record的指针；
重量锁：MarkWord存储的是指向堆中的monitor对象的指针；

无锁

代码演示

public class MyObject{
    public static void main(String[] args){
        Object o = new Object();
        System.out.println("10进制hash码:"+o.hashCode());
        System.out.println("16进制hash码:"+Integer.toHexString(o.hashCode()));
        System.out.println("2进制hash码:"+Integer.toBinaryString(o.hashCode()));
        System.out.println( ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
    }
}

<!--
   JAVA object layout
   官网:http://openjdk.java.net/projects/code-tools/jol/
   定位:分析对象在JVM的大小和分布
   -->
<dependency>
   <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
   <artifactId>jol-core</artifactId>
   <version>0.9</version>
</dependency>

无竞争锁情况

注意：从后往前看，从左往右看

偏向锁

• 单线程竞争
• 当线程A第一次竞争到锁时，通过操作修改Mark Word中的偏向线程ID、偏向模式。
• 如果不存在其他线程竞争，那么持有偏向锁的线程将永远不需要进行同步。

主要作用

Hotspot的作者经过研究发现，大多数情况下：
多线程的情况下，锁不仅不存在多线程竞争，还存在锁由同一个线程多次获得的情况，
偏向锁就是在这种情况下出现的，它的出现是为了解决只有在一个线程执行同步时提高性能
备注：
偏向锁会偏向于第一个访问锁的线程，如果在接下来的运行过程中，该锁没有被其
他的线程访问，则持有偏向锁的线程将永远不需要触发同步。也即偏向锁在
资源没有竞争情况下消除了同步语句，懒的连CAS操作都不做了，直接提高程序性能。

64位标记图再看(通过CAS方式修改markword中的线程ID)

上图对应理论：
在实际应用运行过程中发现，“锁总是同一个线程持有，很少发生竞争”，也就是说锁总是被第一个占用他的线程拥有，这个线
程就是锁的偏向线程。
那么只需要在锁第一次被拥有的时候，记录下偏向线程D。这样偏向线程就一直持有着锁（后续这个线程进入和退出这段加了同步
锁的代码块时，不需要再次加锁和释放锁。而是直接会去检查锁的MarkWord里面是不是放的自己的线程ID):
如果相等，表示偏向锁是偏向于当前线程的，就不需要再尝试获得锁了，直到竞争发生才释放锁。以后每次同步，检查锁的偏向线程
1D与当前线程ID是否一致，如果一致直接进入同步。无需每次加锁解锁都去CAS更新对象头。如果自始至终使用锁的线程只有一个，很明显偏向锁几乎没有额外开销，性能极高。
如果不等，表示发生了竞争，锁已经不是总是偏向于同一个线程了，这个时候会尝试使用CAS来替换MarkWord里面的线程ID为新线程的ID,
竞争成功，表示之前的线程不存在了，MarkWord里面的线程ID为新线程的ID,锁不会升级，仍然为偏向锁：
竞争失败，这时候可能需要升级变为轻量级锁，才能保证线程间公平竞争锁。
注意，偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程是不会主动释放偏向锁的。

技术实现：
一个synchronized方法被一个线程抢到了锁时，那这个方法所在的对象就会在其所在的Mark Word中将骗向锁修改状态位，同时还会有占用前54位来存储线程指针作为标识。若该线程再次访问同一个synchronized方法时，该线程只需去对象头的Mark Word中去判断一下是否有偏向锁指向本身的ID,无需再进入Monitor去竞争对象了。

code演示

偏向锁的操作不用直接捅到操作系统，不涉及用户到内核转换，不必要直接升级为最高级，我们以一个account对象的“对象头”为例，

假如有一个线程执行到synchronized代码块的时候，JVM使用CAS操作把线程指针lD记录到Mark Word当中，并修改标偏向标示，标示当前线程就获得该锁。锁对象变成偏向锁（通过CAS修改对象头里的锁标志位），字面意思是“偏向于第一个获得它的线程”的锁。执行完同步代码块后，线程并不会主动释放偏向锁。

这时线程获得了锁，可以执行同步代码块。当该线程第二次到达同步代码块时会判断此时持有锁的线程是否还是自己（持有锁的线程D也在对象头里)，JVM通过account对象的Mark Word判断：当前线程ID还在，说明还持有着这个对象的锁，就可以继续进入临界区工作。由于之前没有释放,这里也就不需要重新加锁。如果自始至终使用锁的线程只有一个，很明显偏向锁几乎没有额外开销，性能极高。结论：JVM不用和操作系统协商设置Mutx(争取内核)，它只需要记录下线程ID就标示自己获得了当前锁，不用操作系统接入。
上述就是偏向锁： 在股有其他线程竞争的时候，一直偏向偏心当前线程，当前线程可以一直执行。

重要的参数说明

*实际上偏向锁在JDK1.6之后是默认开启的，但是启动时间有延迟
*所以需要添加参数-X:BiasedLockingStartupDelay=0,让其在程序启动时立刻启动。
*
*开启编向锁：
*-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
*关闭偏向锁：关闭之后程序默以会直接进入->>>>>>>>轻量级锁状态。
*-XX:-UseBiasedLocking

代码演示

演示并没有出现预期的效果，因为偏向锁会有4s延时，在使用参数关闭延时后的效果

偏向锁的撤销

• 当有另外线程逐步来竞争锁的时候，就不能再使用偏向锁了，要升级为轻量级锁
• 竞争线程尝试CAS更新对象头失败，会等待到全局安全点（此时不会执行任何代码）撤销偏向锁。

1. 第一个线程正在执行synchronized方法(处于同步块),它还没有执行完,其它线程来抢夺,该偏向锁会被取消掉并出现锁升级
2. 此时轻量级锁由原持有偏向锁的线程持有,继续执行其同步代码,而正在竞争的线程会进入自旋等待获得该轻量级锁
3. 第一个线程执行完成synchronized方法(退出同步块),则将对象头设置成无锁状态并撤销偏向锁 ,重新偏向
4. (我的理解是,其实如果线程A执行完毕,如果不再去竞争,那么就会重新线程B为偏向锁;如果线程A继续竞争,那么就会CAS自旋 也就升级到了轻量级锁)
   

小结

（小知识：Java15以后逐渐废除偏向锁）

轻量级锁

多线程竞争，但是任意时刻最多只有一个线程竞争，即不存在锁竞争太过激烈的情况，也就没有线程阻塞。

主要作用

• 有线程来参与锁的竞争，但是获取锁的冲突时间极短
• 本质就是自旋锁CAS
  轻量锁markword状态
  

轻量级锁的获取

假如线程A己经拿到锁，这时线程B又来抢该对象的锁，由于该对象的锁己经被线程A拿到，当前该锁己是偏向锁了。
而线程B在争抢时发现对象头Mark Word中的线程ID不是线程B自己的线程ID(而是线程A),那线程B就会进行CAS操作希望能获得锁。
此时线程B操作中有两种情况：
如果锁获取成功，直接替换Mark Word中的线程ID为B自己的ID(A→B),重新偏向于其他线程（即将偏向锁交给其他线程，相当于当前线程"被"释放了锁)，该锁会保持偏向锁状态，A线程Over,B线程上位；

如果锁获取失败,则偏向锁升级为轻量级锁,此时轻量级锁由原持有偏向锁的线程持有,继续执行其同步代码,而正在竞争的线程B会进入自旋等待获得该轻量级锁。

轻量级锁的加锁

• JVM会为每个线程在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，官方成为Displaced Mark Word.。若一个线程获得锁时发现是轻量级锁，会把锁的MarkWord复制到自己的Displaced Mark Word里面。然后线程尝试用CAS将锁的MarkWord替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示Mark Word已经被替换成了其他线程的锁记录，说明在与其它线程竞争锁，当前线程就尝试使用自旋来获取锁。
• 自旋CAS:不断尝试去获取锁，能不升级就不往上捅，尽量不要阻塞

轻量级锁的释放

在释放锁时，当前线程会使用CAS操作将Displaced Mark Word的内容复制回锁的Mark Word里面。如果没有发生竞争，那么这个复制的操作会成功。如果有其他线程因为自旋多次导致轻量级锁升级成了重量级锁，那么CAS操作会失败，此时会释放锁并唤醒被阻塞的线程。

代码展示

如果关闭偏向锁,就可以直接进入轻量级锁 -XX:-UseBiasedLocking

轻量级锁的升级

自旋达到一定次数和程度后升级。

• java6之前(了解):默认启用,默认情况下自旋的次数是10次,-XX:PreBlockSpin=10来修改或者自旋线程数超过cpu核数一半
• Java6之后:自适应(自适应意味着自旋的次数不是固定不变的),而是根据:同一个锁上一次自旋的时间和拥有锁线程的状态来决定。

轻量锁与偏向锁的区别和不同

争夺轻量级锁失败时,自旋尝试抢占锁
轻量级锁每次退出同步块都需要释放锁,而偏向锁是在竞争发生时才释放锁

重量级锁

有大量的线程参与锁的竞争,冲突性很高
markword

重量级锁原理

• Java中synchronized的重量级锁，是基于进入和退出Monitor对象实现的。在编译时会将同步块的开始位置插入monitor enter指令，在结束位置插入monitor exit指令。
• 当线程执行到nonitor enter指令时，会尝试获取对象所对应的Monitor所有权，如果获取到了，即获取到了锁，会在Monitor的owner中存放当前线程的id,这样它将处于锁定状态，除非退出同步块，否则其他线程无法获取到这个Monitor。

code演示

总结

• synchronized锁升级过程总结:一句话,就是先自旋,不行再阻塞。
• 实际上是把之前的悲观锁(重量级锁)变成在一定条件下使用偏向锁以及使用轻量级(自旋锁CAS)的形式
• synchronized在修饰方法和代码块在字节码上实现方式有很大差异,但是内部实现还是基于对象头的MarkWord来实现的
• JDK1.6之前synchronized使用的是重量级锁,JDK1.6之后进行了优化,拥有了无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁的升级过程,而不是无论什么情况都使用重量级锁。

偏向锁、轻量级锁、重量级锁总结

偏向锁:适用于单线程适用的情况,在不存在锁竞争的时候进入同步方法/代码块则使用偏向锁。
轻量级锁:适用于竞争较不激烈的情况(这和乐观锁的使用范围类似), 存在竞争时升级为轻量级锁,轻量级锁采用的是自旋锁,如果同步方法/代码块执行时间很短的话,采用轻量级锁虽然会占用cpu资源但是相对比使用重量级锁还是更高效。
重量级锁:适用于竞争激烈的情况,如果同步方法/代码块执行时间很长,那么使用轻量级锁自旋带来的性能消耗就比使用重量级锁更严重,这时候就需要升级为重量级锁