?synchronized作為Java程序員最常用同步工具，很多人卻對它的用法和實(shí)現(xiàn)原理一知半解，以至于還有不少人認(rèn)為synchronized是重量級鎖，性能較差，盡量少用。

但不可否認(rèn)的是synchronized依然是并發(fā)首選工具，連volatile、CAS、ReentrantLock都無法動(dòng)搖synchronized的地位。synchronized是工作面試中的必備技能，今天就跟著一燈一塊深入剖析synchronized底層到底做了哪些優(yōu)化？

synchronized是用來加鎖的，而鎖是加在對象上面，所以需要先聊一下JVM中對象構(gòu)成。

1. 對象的構(gòu)成

Java對象在JVM內(nèi)存中由三塊區(qū)域組成：對象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)和對齊填充。

對象頭又分為：Mark Word（標(biāo)記字段）、Class Pointer（類型指針）、數(shù)組長度（如果是數(shù)組）。

實(shí)例數(shù)據(jù)是對象實(shí)際有效信息，包括本類信息和父類信息等。

對齊填充沒有特殊含義，由于虛擬機(jī)要求 對象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，作用僅是字節(jié)對齊。

Class Pointer是對象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機(jī)通過這個(gè)指針來確定這個(gè)對象是哪個(gè)類的實(shí)例。

重點(diǎn)關(guān)注一下對象頭中Mark Word，里面存儲(chǔ)了對象的hashcode、鎖狀態(tài)標(biāo)識、持有鎖的線程id、GC分代年齡等。

在32為的虛擬機(jī)中，Mark Word的組成如下：

2. synchronized鎖優(yōu)化

從JDK1.6開始，就對synchronized的實(shí)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行了較大調(diào)整，包括使用JDK1.5引進(jìn)的CAS自旋之外，還增加了自適應(yīng)的CAS自旋、鎖消除、鎖粗化、偏向鎖、輕量級鎖等優(yōu)化策略。由于使得synchronized性能極大提高，同時(shí)語義清晰、操作簡單、無需手動(dòng)關(guān)閉，所以推薦在允許的情況下盡量使用此關(guān)鍵字，同時(shí)在性能上此關(guān)鍵字還有優(yōu)化的空間。

鎖主要存在四種狀態(tài)，依次是：無鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級鎖狀態(tài)、重量級鎖狀態(tài)，性能依次是從高到低。鎖可以從偏向鎖升級到輕量級鎖，再升級的重量級鎖。但是鎖的升級是單向的，也就是說只能從低到高升級，不會(huì)出現(xiàn)鎖的降級。

在 JDK 1.6 中默認(rèn)是開啟偏向鎖和輕量級鎖的，可以通過-XX:-UseBiasedLocking來禁用偏向鎖。

2.1 自旋鎖

線程的掛起與恢復(fù)需要CPU從用戶態(tài)轉(zhuǎn)為內(nèi)核態(tài)，頻繁的阻塞和喚醒對CPU來說是一件負(fù)擔(dān)很重的工作，勢必會(huì)給系統(tǒng)的并發(fā)性能帶來很大的壓力。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)在許多應(yīng)用上面，對象鎖的鎖狀態(tài)只會(huì)持續(xù)很短一段時(shí)間，為了這一段很短的時(shí)間頻繁地阻塞和喚醒線程是非常不值得的。

自旋鎖就是指當(dāng)一個(gè)線程嘗試獲取某個(gè)鎖時(shí)，如果該鎖已被其他線程占用，就一直循環(huán)檢測鎖是否被釋放，而不是進(jìn)入線程掛起或睡眠狀態(tài)。

自旋鎖適用于鎖保護(hù)的臨界區(qū)很小的情況，臨界區(qū)很小的話，鎖占用的時(shí)間就很短。自旋等待不能替代阻塞，雖然它可以避免線程切換帶來的開銷，但是它占用了CPU處理器的時(shí)間。如果持有鎖的線程很快就釋放了鎖，那么自旋的效率就非常好，反之，自旋的線程就會(huì)白白消耗掉處理的資源，它不會(huì)做任何有意義的工作，這樣反而會(huì)帶來性能上的浪費(fèi)。所以說，自旋等待的時(shí)間（自旋的次數(shù)）必須要有一個(gè)限度，如果自旋超過了定義的時(shí)間仍然沒有獲取到鎖，則應(yīng)該被掛起。

自旋鎖在JDK 1.4.2中引入，默認(rèn)關(guān)閉，但是可以使用-XX:+UseSpinning開開啟，在JDK1.6中默認(rèn)開啟。同時(shí)自旋的默認(rèn)次數(shù)為10次，可以通過參數(shù)-XX:PreBlockSpin來調(diào)整。

2.2 自適應(yīng)自旋鎖

JDK 1.6引入了更加智能的自旋鎖，即自適應(yīng)自旋鎖。自適應(yīng)就意味著自旋的次數(shù)不再是固定的，它是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定。那它如何進(jìn)行適應(yīng)性自旋呢？

線程如果自旋成功了，那么下次自旋的次數(shù)會(huì)更加多，因?yàn)樘摂M機(jī)認(rèn)為既然上次成功了，那么此次自旋也很有可能會(huì)再次成功，那么它就會(huì)允許自旋等待持續(xù)的次數(shù)更多。反之，如果對于某個(gè)鎖，很少有自旋能夠成功，那么在以后要或者這個(gè)鎖的時(shí)候自旋的次數(shù)會(huì)減少甚至省略掉自旋過程，以免浪費(fèi)CPU資源。

有了自適應(yīng)自旋鎖，隨著程序運(yùn)行和性能監(jiān)控信息的不斷完善，虛擬機(jī)對程序鎖的狀況預(yù)測會(huì)越來越準(zhǔn)確，虛擬機(jī)會(huì)變得越來越聰明。

2.3 鎖消除

JVM在JIT編譯時(shí)通過對運(yùn)行上下文的掃描，經(jīng)過逃逸分析，對于某段代碼不存在競爭或共享的可能性，就會(huì)講這段代碼的鎖消除，提升程序運(yùn)行效率。

public void method(){
    final Object LOCK = new Object();
    synchronized (LOCK) {
        // do something
    }
}

比如上面代碼中鎖，是方法中私有的，又是不可變的，完全沒必要加鎖，所以JVM就會(huì)執(zhí)行鎖消除。

2.4 鎖粗化

按理來說，同步塊的作用范圍應(yīng)該盡可能小，僅在共享數(shù)據(jù)的實(shí)際作用域中才進(jìn)行同步，這樣做的目的是為了使需要同步的操作數(shù)量盡可能縮小，縮短阻塞時(shí)間，如果存在鎖競爭，那么等待鎖的線程也能盡快拿到鎖。
但是加鎖解鎖也需要消耗資源，如果存在一系列的連續(xù)加鎖解鎖操作，可能會(huì)導(dǎo)致不必要的性能損耗。

鎖粗化就是將多個(gè)連續(xù)的加鎖、解鎖操作連接在一起，擴(kuò)展成一個(gè)范圍更大的鎖，避免頻繁地加鎖解鎖操作。

public void method(Object LOCK){
    synchronized (LOCK) {
        // do something1
    }
    synchronized (LOCK) {
        // do something2
    }
}

比如上面方法中兩個(gè)加鎖的代碼塊，完全可以合并成一個(gè)，減少頻繁加鎖解鎖帶來的開銷，提升程序運(yùn)行效率。

2.5 偏向鎖

為什么要引入偏向鎖？

因?yàn)榻?jīng)過HotSpot的作者大量的研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)時(shí)候是不存在鎖競爭的，通常是一個(gè)線程多次獲得同一把鎖，因此如果每次都要競爭鎖會(huì)增大很多沒有必要付出的代價(jià)，為了降低獲取鎖的代價(jià)，才引入的偏向鎖。

2.6 輕量級鎖

輕量級鎖考慮的是競爭鎖對象的線程不多，而且線程持有鎖的時(shí)間也不長的場景。因?yàn)樽枞€程需要CPU從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)，代價(jià)較大，如果剛剛阻塞不久這個(gè)鎖就被釋放了，那這個(gè)代價(jià)就有點(diǎn)得不償失了，因此這個(gè)時(shí)候就干脆不阻塞這個(gè)線程，讓它自旋（CAS）這等待鎖釋放。

加鎖過程：當(dāng)代碼進(jìn)入同步塊時(shí)，如果同步對象為無鎖狀態(tài)時(shí)，當(dāng)前線程會(huì)在棧幀中創(chuàng)建一個(gè)鎖記錄(Lock Record)區(qū)域，同時(shí)將鎖對象的對象頭中 Mark Word 拷貝到鎖記錄中，再嘗試使用 CAS 將 Mark Word 更新為指向鎖記錄的指針。如果更新成功，當(dāng)前線程就獲得了鎖。

解鎖過程：輕量鎖的解鎖過程也是利用 CAS 來實(shí)現(xiàn)的，會(huì)嘗試鎖記錄替換回鎖對象的 Mark Word 。如果替換成功則說明整個(gè)同步操作完成，失敗則說明有其他線程嘗試獲取鎖，這時(shí)就會(huì)喚醒被掛起的線程(此時(shí)已經(jīng)膨脹為重量鎖)

2.7 重量級鎖

synchronized是通過對象內(nèi)部的監(jiān)視器鎖（Monitor）來實(shí)現(xiàn)的。但是監(jiān)視器鎖本質(zhì)又是依賴于底層的操作系統(tǒng)的互斥鎖（Mutex Lock）來實(shí)現(xiàn)的。

重量級鎖的工作流程：當(dāng)系統(tǒng)檢查到鎖是重量級鎖之后，會(huì)把等待想要獲得鎖的線程進(jìn)行阻塞，被阻塞的線程不會(huì)消耗cpu。但是阻塞或者喚醒一個(gè)線程時(shí)，都需要操作系統(tǒng)來幫忙，這就需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài)，而轉(zhuǎn)換狀態(tài)是需要消耗很多時(shí)間的，有可能比用戶執(zhí)行代碼的時(shí)間還要長，所以重量級鎖的開銷還是很大的。

在鎖競爭激烈、鎖持有時(shí)間長的場景，還是適合使用重量級鎖的。

2.8 鎖升級過程

2.9 鎖的優(yōu)缺點(diǎn)對比

鎖的性能從低到高，依次是無鎖、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。不同的鎖只是適合不同的場景，大家可以依據(jù)實(shí)際場景自行選擇。

3. 總結(jié)

synchronized鎖經(jīng)過多次迭代優(yōu)化，已經(jīng)不像以前那么重了，在JDK1.8的ConcurrentHashMap源碼中已經(jīng)大量使用synchronized做同步控制，大家在日常開發(fā)中可以放心使用了。