synchronized锁升级详细过程

前言-对象头结构

java对象头由3部分组成:

1、Mark Word

2、指向类对象(对象的class对象)的指针

3、数组长度(数组类型才有)

重点是 Mark Word结构，下面以32位HotSpot为例：

一、偏向锁

1、概念：

HotSpot的作者经过研究发现，大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低从而引入偏向锁。偏向锁在获取资源的时候会在锁对象头上记录当前线程ID，偏向锁并不会主动释放，这样每次偏向锁进入的时候都会判断锁对象头中线程ID是否为自己，如果是则不需要进行额外的操作，直接进入同步操作。

2、偏向锁的获取过程：

I：判断是否为可偏向状态--MarkWord中锁标志是否为‘01’，是否偏向锁是否为‘1’

II：如果是可偏向状态，则查看线程ID是否为当前线程，如果是，则进入步骤'V'，否则进入步骤‘III’

III：通过CAS操作竞争锁，如果竞争成功，则将MarkWord中线程ID设置为当前线程ID，然后执行‘V’；竞争失败，则执行‘IV’

IV：CAS获取偏向锁失败表示有竞争。当达到safepoint时获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码块

V：执行同步代码

3、偏向锁的撤销过程：

I：偏向锁不会主动释放(撤销)，只有遇到其他线程竞争时才会执行撤销，由于撤销需要知道当前持有该偏向锁的线程栈状态，因此要等到safepoint时执行，此时持有该偏向锁的线程（T）有‘II’，‘III’两种情况；

II：撤销----T线程已经退出同步代码块，或者已经不再存活，则直接撤销偏向锁，变成无锁状态----该状态达到阈值20则执行批量重偏向

III：升级----T线程还在同步代码块中，则将T线程的偏向锁升级为轻量级锁，当前线程执行轻量级锁状态下的锁获取步骤----该状态达到阈值40则执行批量撤销

4、批量重偏向/撤销：

从‘3、偏向锁的撤销过程’可以看出偏向锁需要等到safepoint才能进行锁升级/撤销，这种情况偏向锁不仅不能提高性能，反而会导致性能下降

思考两个场景： I：线程T1创建了大量对象，并进行初始的同步操作，这时这些对象都偏向T1；之后线程T2使用这些对象作为锁进行同步操作，则会存在大量的偏向锁撤销操作 II：存在明显多线程锁竞争时会存在大量偏向锁升级过程 为了解决这两个问题，jvm提供了批量重偏向/撤销的机制

批量重偏向/撤销过程：

I：首先引入一个概念epoch，其本质是一个时间戳，代表了偏向锁的有效性，epoch存储在可偏向对象的MarkWord中。除了对象中的epoch,对象所属的类class信息中，也会保存一个epoch值

II：每当遇到一个全局安全点时(这里的意思是说批量重偏向没有完全替代了全局安全点，全局安全点是一直存在的)，比如要对class C 进行批量再偏向，则首先对 class C中保存的epoch进行增加操作，得到一个新的epoch_new

III：然后扫描所有持有 class C 实例的线程栈，根据线程栈的信息判断出该线程是否锁定了该对象，仅将epoch_new的值赋给被锁定的对象中，也就是现在偏向锁还在被使用的对象才会被赋值epoch_new

IV：退出安全点后，当有线程需要尝试获取偏向锁时，直接检查 class C 中存储的 epoch 值是否与目标对象中存储的 epoch 值相等，如果不相等，则说明该对象的偏向锁已经无效了（即用完了，因为'III'步骤里面已经说了只有偏向锁还在被使用的对象才会有epoch_new，这里不相等的原因是class C里面的epoch值是epoch_new,而当前对象的epoch里面的值还是epoch），此时竞争线程可以尝试对此对象重新进行偏向操作，即通过CAS操作将其Mark Word的Thread Id 改成当前线程Id

V：当epoch达到重偏向阈值（默认20）时，jvm就认为该class的偏向锁偏向的线程有问题，因此会进行批量重偏向。当epoch达到批量撤销阈值（默认40）时，jvm就认为这个class不再适合偏向锁，就会批量撤销，并且在之后的加锁过程中直接为该class的对象设置轻量级锁

二、轻量级锁

1、概念：

轻量级锁是相对于重量级锁需要阻塞/唤醒涉及上下文切换而言，主要针对多个线程在不同时间请求同一把锁的场景。

2、轻量级锁获取过程：

I：进行加锁操作时，jvm会判断是否已经时重量级锁，如果不是，则会在当前线程栈帧中划出一块空间，作为该锁的锁记录，并且将锁对象MarkWord复制到该锁记录中

II：复制成功之后，jvm使用CAS操作将对象头MarkWord更新为指向锁记录的指针，并将锁记录里的owner指针指向对象头的MarkWord。如果成功，则执行‘III’，否则执行‘IV’

III：更新成功，则当前线程持有该对象锁，并且对象MarkWord锁标志设置为‘00’，即表示此对象处于轻量级锁状态

IV：更新失败，jvm先检查对象MarkWord是否指向当前线程栈帧中的锁记录，如果是则执行‘V’，否则执行‘VI’

V：表示锁重入；然后当前线程栈帧中增加一个锁记录第一部分（Displaced Mark Word）为null，并指向Mark Word的锁对象，起到一个重入计数器的作用。

VI：表示该锁对象已经被其他线程抢占，则进行自旋等待（默认10次），等待次数达到阈值仍未获取到锁，则升级为重量级锁

3、轻量级锁解锁过程：

I：通过CAS操作把尝试把线程栈帧中复制的锁记录中的Displaced Mark Word替换当前对象头的MarkWord（即还原对象头）

II：替换成功则同步块执行顺利结束

III：替换失败说明已经膨胀为重量级锁，则在执行完同步块释放锁同时唤醒被挂起的线程

4、自适应自旋：

根据以往自旋等待时是否能够获得锁，来动态调整自旋的时间（循环数目）

三、重量级锁

1、重量级锁加锁过程：

I：调用omAlloc分配一个ObjectMonitor对象，把Mark Word锁标志置为‘10’，然后Mark Word存储指向ObjectMonitor对象的指针。ObjectMonitor对象有两个队列和一个指针，每个需要获取锁的线程都包装成ObjectWaiter对象

II：多个线程同时执行同一段同步代码时，ObjectWaiter先进入_EntryList队列，当某个线程获取到对象的monitor以后进入_Owner区域，并把monitor中的owner变量设置为当前线程同时monitor中的计数器count+1；

2、重量级锁释放过程：

I：若同步块中的线程调用wait()方法，则释放持有的monitor，owner遍历置为null，count-1，同时线程进入_WaitSet等待被唤醒

II：若当前同步块执行完毕，则也释放持有的monitor，owner遍历置为null，count-1