java并发编程（六）synchronized原理 及 轻量级锁
上一篇文章带大家简单了解了对象头，及mark word的内容，那么本文将来学习，mark word到底有什么作用。其实就是synchronized的原理。
先将64位虚拟机的java对象Mark Word放在这，方便后面查看：
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| Mark Word(64bits) | State |
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| unused:25|identity_hashcode:31|unused:1|age:4|biase_lock:0| lock:01 | Nomal |
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| thread:54| epoch:2 |unused:1|age:4|biase_lock:1| lock:01 | Biased |
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| ptr_to_lock_record:62 | lock:00 | Lightweight Locked |
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| ptr_to_heavyweight_monitor:62 | lock:10 | Heavyweight Locked |
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| | lock:11 | Marked for GC |
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一、Monitor
在介绍Mark Word的时候，提到过Monitor，可以称为监视器或管程，下面我们看下它到底是个什么东西。
每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针。不加 synchronized 的对象不会关联Monitor。
首先通过下图展示管程的组成，以及和java对象的关系：
Monitor管程 (2).png
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有一个java对象，上了一把synchronized（重量级锁），当有线程获取到锁时，其对象头中的Mark Word变成了指向Monitor的指针。（原本mark word当中的内容会存储到Monitor当中，释放时会取出这些内容再次放到mark word。）
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thread3 来竞争这把锁，此时只有它自己，那么thread3将会被设置为Monitor的Owner，有且只能有一个Owner。
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如果thread3持有锁的过程中，如果thread4和thread5也来竞争锁，就会添加到EntryList当中，此时线程将被阻塞（BLOCKED）。
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当thread执行完同步代码块当中的内容，会唤醒EntryList当中的线程来竞争锁，此竞争是非公平的。
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另外，在WaitSet当中的thread1和thread2，其状态是WAITING，表示他们之前获得过锁，但是条件不满足，此处不讲解，后面在分析wait，notify时讲解。
二、synchronized原理分析
2.1 synchronized字节码分析
在上面了解Monitor后，进入java当中的重点，synchronized的学习。
有如下代码：
static final Object object = new Object();
static int i = 0;
public static void main(String[] args) {
synchronized (object) {
i++;
}
}
其字节码如下所示：
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: getstatic #2 // 获取锁对象object
3: dup // 拷贝一份
4: astore_1 // 将拷贝的变量存储到 slot 1中
5: monitorenter // 将Monitor指针设置到lock对象的Mark Word
6: getstatic #3 // 获取静态变量i
9: iconst_1 // 准备常数 1
10: iadd // 执行++ 操作
11: putstatic #3 // 将i当前值赋值给静态变量
14: aload_1 // 获取对象锁
15: monitorexit // 重置对象的Mark Word，唤醒EntryList当中的线程
16: goto 24 // 跳转到24 行
19: astore_2 // 将异常存储到 slot 2 中
20: aload_1 // 获取锁对象
21: monitorexit // 重置对象的Mark Word，唤醒EntryList当中的线程
22: aload_2 // 获取slot 2中的异常
23: athrow // 抛出异常
24: return // 方法返回
Exception table:
from to target type
6 16 19 any // 6 ~ 16 行为正常代码运行逻辑，如果在这之间发生了异常，则代码跳转值第19行
19 22 19 any // 19 ~ 22 是异常时，代码执行的逻辑
关于上面字节码的意思都在注释中。
注意：在方法层面上的锁，在字节码当中不会有锁体现，如下：
static final Object object = new Object();
static int i = 0;
public static synchronized void add() {
i++;
}
public static void main(String[] args) {
add();
}
字节码如下：
public static synchronized void add();
Code:
0: getstatic #2 // Field i:I
3: iconst_1
4: iadd
5: putstatic #2 // Field i:I
8: return
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: invokestatic #3 // Method add:()V
3: return
2.2 轻量级锁
如开篇展示的对象Mark Word，共有5种锁的状态， 我们本小节讲解其中之一，轻量级锁相关的内容。
轻量级锁是指在满足一定的条件内，使用CAS（自旋）来尝试获取对象锁的一种机制，如果超过以下条件，则会膨胀为重量级锁：
1）在jdk1.6前，默认10次，可通过-XX:PreBlockSpin来修改，或者自旋线程数超过CPU核数的一半。
2）jdk1.6之后，引入了自适应自旋锁，次数并非一成不变。根据获取锁的成功率来决定是否能有更长的等待时间。
轻量级锁仍然是使用synchronized，用户其实是无感知的。
2.2.1 轻量级锁的上锁和释放锁
假设当前有一把对象锁lock，两个方法使用同一把锁，且add当中会调用sub()方法，如下所示：
static final Object lock = new Object();
public void add(){
synchronized (lock){
sub();
}
}
public void sub(){
synchronized (lock){
}
}
- 当线程尝试获取这把锁的时候，会创建锁记录（Lock Record），每个线程的栈帧（线程执行到的方法，都会生成对应的栈帧），都会包含一个锁记录的结构，可以用来存储对象的Mark Word，如下所示：
轻量级锁 (2).png
- 让锁记录中 Object Reference 指向锁对象，并尝试用 CAS 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录（如图上的1），并将锁记录的地址存入Object的Mark Word（如图上的2），如下所示：
轻量级锁 (1).png
- 如果CAS成功，对象的Mark Word将会存储Lock Record 地址 和 锁状态 00，如下图所示：
轻量级锁 (3).png
- 如果CAS失败，此时会有两种情况：
- 如果是其他线程已经持有了该轻量级锁，则表示发生竞争，此时进入锁膨胀。
- 如果是自己执行了 synchronized 锁重入（就像我们示例代码中的add()方法），那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数，只不过新添加的Lock Record中没有Object的Mark word内容，为null。如下所示：
轻量级锁 (4).png
-
当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一，将null的Lock Record删除。
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当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用 CAS 将 Mark Word 的值恢复给对象头。
- 成功，则解锁成功。
- 失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程。
