內(nèi)置鎖

Java提供了一種內(nèi)置的鎖機(jī)制來支持原子性和可見性：同步代碼塊（Synchronized Block）。同步代碼塊包括兩部分：一個(gè)是作為鎖的對(duì)象引用，一個(gè)是鎖保護(hù)的代碼塊。每一個(gè)Java對(duì)象都可以用做一個(gè)實(shí)現(xiàn)同步的鎖，這種鎖被稱為內(nèi)置鎖（Intrinsic Lock）或者監(jiān)視器鎖（Monitor Lock）。線程進(jìn)入同步代碼塊之前會(huì)自動(dòng)獲得鎖，并且在退出同步代碼塊時(shí)（正常返回，或者是異常退出）會(huì)自動(dòng)釋放鎖。
同步代碼塊以關(guān)鍵字synchronized修飾，例如：

synchronized（鎖對(duì)象引用）{
//鎖保護(hù)的代碼塊
}

如果synchronized修飾的是對(duì)象的方法，那么被修飾的方法體就是同步代碼塊，鎖的對(duì)象引用就是被修飾的方法所在的對(duì)象。

public class SyncTest {
    public synchronized void method() {
    //方法體就是同步代碼塊
    } 
}

如果synchronized修飾的是靜態(tài)方法，那么被修飾的方法體就是同步代碼塊，鎖的對(duì)象引用就是被修飾的方法所在的Class對(duì)象。

public class SyncTest {
    public static synchronized void method() {
    //方法體就是同步代碼塊
    } 
}

內(nèi)置鎖的特性

• 互斥：同一時(shí)間最多只有一個(gè)線程能夠持有這種鎖。
  線程嘗試獲取一個(gè)被其它線程持有的內(nèi)置鎖，線程必須等待（自旋）或者阻塞（自旋策略失效），并且因?yàn)檎?qǐng)求內(nèi)置鎖被阻塞的線程不能被中斷。
• 可重入：如果某個(gè)線程試圖獲取一個(gè)已經(jīng)由它持有的內(nèi)置鎖，那么這個(gè)請(qǐng)求就會(huì)成功。
  實(shí)現(xiàn)原理：為每個(gè)所關(guān)聯(lián)一個(gè)獲取計(jì)數(shù)值和一個(gè)所有者線程。當(dāng)計(jì)數(shù)值為0，表示這個(gè)鎖沒有被任何線程持有。當(dāng)線程請(qǐng)求一個(gè)未被持有的鎖，JVM將所有者線程設(shè)置為請(qǐng)求線程，并且將計(jì)數(shù)值置為1。如果同一個(gè)線程再次請(qǐng)求這個(gè)鎖，計(jì)數(shù)值遞增，退出同步代碼塊計(jì)數(shù)值將遞減。如果計(jì)數(shù)值為0，這個(gè)鎖將被釋放。

synchronized的原理

當(dāng)聲明 synchronized 代碼塊時(shí)，編譯而成的字節(jié)碼將包含 monitorenter 和 monitorexit 指令。這兩種指令均會(huì)消耗操作數(shù)棧上的一個(gè)引用類型的元素（也就是 synchronized 關(guān)鍵字括號(hào)里的引用），作為所要加鎖和解鎖的鎖對(duì)象。

自旋

因?yàn)楸O(jiān)視器鎖實(shí)現(xiàn)的同步是互斥同步，互斥導(dǎo)致的Java 線程的阻塞以及喚醒，都是依靠操作系統(tǒng)來完成的。舉例來說，對(duì)于符合 posix 接口的操作系統(tǒng)（如 macOS 和絕大部分的 Linux），上述操作是通過 pthread 的互斥鎖（mutex）來實(shí)現(xiàn)的。這些操作將涉及系統(tǒng)調(diào)用，需要從操作系統(tǒng)的用戶態(tài)切換至內(nèi)核態(tài)，這些操作給操作系統(tǒng)的并發(fā)性能帶來了很大的開銷。
自旋的實(shí)現(xiàn)原理就是，如果線程請(qǐng)求獲取監(jiān)視器鎖失敗，并不立刻阻塞線程，而是讓線程執(zhí)行一個(gè)忙循環(huán)（自旋）。自旋之后再次嘗試獲取鎖。如果獲取鎖失敗，這個(gè)過程會(huì)循環(huán)一定次數(shù)，超過某個(gè)閥值，如果還是獲取不到鎖，才阻塞線程。自旋可以通過-XX:+UserSpinning參數(shù)來開啟，自旋的次數(shù)通過-XX:PreBlockSpin來更改（默認(rèn)是10）。
自旋雖然避免了線程切換的損耗，但是需要占用處理器時(shí)間。自旋的效果取決于鎖被占用的時(shí)間，如果鎖被占用的時(shí)間很短，自旋等待的效果就會(huì)很好，反之，自旋只會(huì)白白消耗處理器資源，帶來性能上的損耗。
JDK1.6引入了自適應(yīng)的自旋鎖。

鎖優(yōu)化

自旋鎖

見自旋小節(jié)

重量級(jí)鎖

重量級(jí)鎖是 JVM中傳統(tǒng)的鎖實(shí)現(xiàn)。在這種狀態(tài)下，Java 虛擬機(jī)會(huì)阻塞加鎖失敗的線程，并且在目標(biāo)鎖被釋放的時(shí)候，喚醒這些線程。

輕量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖的目標(biāo)是在沒有多線程的競爭下，減少重量級(jí)鎖使用的操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能消耗。

原理

輕量級(jí)鎖的實(shí)現(xiàn)依賴對(duì)象頭的標(biāo)記字段。Java的對(duì)象頭被設(shè)計(jì)為能夠根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的儲(chǔ)存空間，對(duì)象頭的標(biāo)記字段有2bit用于儲(chǔ)存鎖狀態(tài)，不同的鎖狀態(tài)對(duì)應(yīng)的對(duì)象頭的內(nèi)容及狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換如下圖：

對(duì)象頭標(biāo)記字段的鎖狀態(tài)的轉(zhuǎn)化

加鎖過程

當(dāng)進(jìn)行加鎖操作時(shí)，JVM會(huì)判斷是否已經(jīng)是重量級(jí)鎖。如果不是，它會(huì)在當(dāng)前線程的當(dāng)前棧楨中劃出一塊空間，作為該鎖的鎖記錄（Lock Record），并且將鎖對(duì)象的標(biāo)記字段復(fù)制到該鎖記錄中。
然后，JVM會(huì)嘗試用 CAS（compare-and-swap）操作將鎖對(duì)象的標(biāo)記字段替換為鎖記錄的指針。如果操作成功，那么這個(gè)線程就獲取了這個(gè)對(duì)象的鎖，并且標(biāo)記字段的鎖標(biāo)志位轉(zhuǎn)變?yōu)椤?0”，表示該鎖處于輕量級(jí)鎖定狀態(tài)。
如果標(biāo)記字段替換操作失敗，JVM會(huì)先檢查對(duì)象的標(biāo)記字段是否指向當(dāng)前線程的棧幀，如果是表明當(dāng)前線程已經(jīng)持有了該對(duì)象的鎖。否則說明這個(gè)對(duì)象的鎖已經(jīng)被其它線程所持有了，這時(shí)，輕量級(jí)鎖膨脹為重量級(jí)鎖，鎖的標(biāo)記字段的鎖標(biāo)志位變?yōu)椤?0”，標(biāo)記字段存儲(chǔ)的就是指向重量級(jí)鎖（互斥量）的指針，后面的線程要進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

解鎖過程

輕量級(jí)鎖的解鎖過程也要通過CAS操作來進(jìn)行。如果鎖對(duì)象的標(biāo)記字段仍然指向線程的鎖記錄，JVM嘗試用CAS操作將鎖對(duì)象的標(biāo)記字段替換為鎖記錄中的復(fù)制過來的標(biāo)記字段。如果CAS操作成功，則釋放了鎖。否則說明有其他線程嘗試獲取過該對(duì)象的鎖，那么在釋放鎖的同時(shí)，喚醒被掛起的線程。

性能分析

輕量級(jí)鎖提升性能的依據(jù)是：對(duì)于絕大部分的鎖，在整個(gè)同步期間都是不存在競爭的。如果沒有競爭，輕量級(jí)鎖使用CAS操作避免了重量級(jí)鎖使用互斥量的開銷。如果存在競爭，除了重量級(jí)鎖的互斥量開銷，還帶來了CAS操作的開銷，性能反而比重量級(jí)鎖差。

偏向鎖

偏向鎖的目的也是消除無競爭條件下的同步原語。偏向鎖會(huì)偏向于第一個(gè)獲取到它的線程，如果在獲取到鎖之后的過程中，沒有發(fā)生鎖競爭，那么持有偏向鎖的線程將永遠(yuǎn)不需要再進(jìn)行同步。相比輕量級(jí)鎖，偏向鎖能夠消除輕量級(jí)鎖多次加鎖的CAS操作。

加鎖過程

具體來說，在線程進(jìn)行加鎖時(shí)，如果該鎖對(duì)象支持偏向鎖，那么 JVM會(huì)通過 CAS 操作，將當(dāng)前線程的ID記錄在鎖對(duì)象的標(biāo)記字段之中，并且將標(biāo)記字段的鎖標(biāo)志位置為“01”，即偏向模式。
如果操作成功，在接下來的運(yùn)行過程中，每當(dāng)有線程請(qǐng)求這把鎖，Java 虛擬機(jī)只需判斷鎖對(duì)象標(biāo)記字段中：最后三位是否為 101，是否包含當(dāng)前線程的ID，以及 epoch 值是否和鎖對(duì)象的類的 epoch 值相同。如果都滿足，那么當(dāng)前線程持有該偏向鎖，可以直接返回。
當(dāng)有另外的線程嘗試獲取這個(gè)鎖時(shí)，偏向模式宣告結(jié)束。如果當(dāng)前對(duì)存于未鎖定狀態(tài)，撤銷偏向恢復(fù)至未鎖定（標(biāo)記字段的鎖標(biāo)志位為“01”）。如果處于鎖定狀態(tài)，則升級(jí)為輕量級(jí)鎖（標(biāo)記字段的鎖標(biāo)志位為“00”），后續(xù)的同步操作便按照輕量級(jí)鎖的規(guī)則來進(jìn)行。

偏向鎖失效

如果某一類鎖對(duì)象的總撤銷數(shù)超過了一個(gè)閾值（對(duì)應(yīng)JVM參數(shù)-XX:BiasedLockingBulkRebiasThreshold，默認(rèn)為 20），那么 JVM會(huì)宣布這個(gè)類的偏向鎖失效。
如果總撤銷數(shù)超過另一個(gè)閾值（對(duì)應(yīng) JVM參數(shù) -XX:BiasedLockingBulkRevokeThreshold，默認(rèn)值為 40），那么 Java 虛擬機(jī)會(huì)認(rèn)為這個(gè)類已經(jīng)不再適合偏向鎖。此時(shí)，Java 虛擬機(jī)會(huì)撤銷該類實(shí)例的偏向鎖，并且在之后的加鎖過程中直接為該類實(shí)例設(shè)置輕量級(jí)鎖。

其它優(yōu)化手段

• 鎖消除
  JVM通過逃逸分析，如果判斷出在一段代碼中，堆上的所有數(shù)據(jù)都不會(huì)逃逸出去從而被其它線程訪問到，就可以把他們當(dāng)做棧上數(shù)據(jù)看待，同步加鎖就不需要進(jìn)行。
• 鎖粗化
  如果一系列的連續(xù)操作都是對(duì)同一個(gè)對(duì)象反復(fù)加鎖和解鎖，甚至加鎖操作出現(xiàn)在循環(huán)體中（如StringBuffer的連續(xù)多次append操作），JVM會(huì)將加鎖同步的范圍擴(kuò)展到這個(gè)操作系列的外部。

參考

HotSpot-Synchronization