前言
之前博客轉載過美團的鎖介紹文章 【基本功】不可不說的Java“鎖”事–轉自美團技術博客，寫的非常好，但是在鎖的落地中，有哪個可以囊括大部分鎖的落地應用，我覺得synchronized可以是一個。下面就講講synchronized的鎖優化。
對象頭
我們用過synchronized的都知道，它的使用語法是用一個對象來當“鑰匙”的。哪個線程有這把鑰匙，哪個線程就可以自由出入synchronized的作用範圍。反之，則會拒之門外。有沒有想過，我們爲什麼要用對象來當鎖，這裏面就有對象頭的概念。
synchronized用的鎖是存在Java對象頭裏的，那麼什麼是Java對象頭呢？Hotspot虛擬機的對象頭主要包括兩部分數據：Mark Word（標記字段）、Klass Pointer（類型指針）。其中Klass Point是是對象指向它的類元數據的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例，Mark Word用於存儲對象自身的運行時數據，它是實現輕量級鎖和偏向鎖的關鍵，下圖就是不同鎖狀態下Mark Word記錄數據的區別，其中比較重要的列就是 鎖狀態，鎖標誌位，線程ID，下面synchronized的原理就跟這些息息相關。
synchronized的原理（鎖膨脹）
前面介紹了對象頭可能不明所以，不知道怎麼用的，沒有關係，前面是介紹基本概念，這一章正式講解synchronized的內部。synchronized以前是一個純重量級的鎖，使用操作系統互斥量來實現，給人的印象是效率低下。但是後來優化後，我個人認爲，synchronized的原理就是鎖膨脹的過程，因爲synchronized的鎖會經歷 無鎖 → 偏向鎖 → 輕量級鎖 → 重量級鎖的一個過程.先從無鎖講起。
無鎖
無鎖非常好理解，當沒有一個線程訪問或者只有一個線程訪問時，就是無鎖狀態，無鎖狀態下 對象頭的 鎖標誌位 就是 '01' . 你可以對照上面的Mark Word圖查 01 對應的行，但是你會發現有一個叫 "偏向鎖"的也是 01，兩者有啥區別？下面就會解釋
偏向鎖
當只有一個線程訪問的時候，除了 鎖標誌位 設爲 '01'，還會做一件重要的事情
- 在Mark Word中記錄 當前訪問線程的
線程id
你也可以在上圖中看到 偏向鎖 跟 無鎖 狀態下 偏向鎖就是多了一個 線程id ，圖中epoch指的是偏向鎖的時間戳，這裏不講解這個。
何謂偏向鎖 – 當只有一個線程訪問時，虛擬機認爲這段代碼是無需加鎖的，也沒有必要加鎖，這就提高了代碼的運行性能。但是需要記錄下 當前的線程ID，一旦有其它線程進入 發現對象頭的中線程ID不是 自己的id，說明這個鎖開始存在競爭。 那就進入了synchronized鎖的下一階段。
匿名偏向
- -XX:+UseBiasedLocking 啓動偏向鎖
- -XX:BiasedLockingStartupDelay 偏向鎖啓動的延時時間 ，默認4s
這裏介紹兩個關於偏向鎖的jvm參數，一個是是否啓動偏向鎖，一個是 jvm啓動多久之後開啓偏向鎖， 這兩個參數就決定了 synchronized 鎖升級的走向
- 如果偏向鎖壓根沒有開啓，那麼synchronized鎖升級就會跳過偏向鎖，直接升級爲輕量級鎖。
- 如果偏向鎖開啓，但是延遲了0秒(沒有延遲)，這時候創建的對象就是一個匿名偏向對象，這個對象 鎖標誌位 設爲
'01'，但是這個對象還沒有偏向任何線程。 - 如果偏向鎖開啓，但是延遲了30秒，那麼new 出來的對象就是一個普通對象，如果這個對象30秒之後被當作synchronized的鎖，那麼就會升級爲偏向鎖。
上面就是在解釋上圖中 匿名偏向的含義， 有人問爲什麼要有 XX:BiasedLockingStartupDelay 這個配置參數，因爲jvm一開始啓動的時候肯定有大量的多線程操作，在高併發的環境下，偏向鎖不是一個好的選擇，還不如一開始就使用重量級鎖排隊等待。等一段時間過去，線程競爭沒有那麼激烈的時候，再開啓偏向鎖。
輕量級鎖
從這裏開始就要分別介紹兩個角色的宿命， 一個是本身通過偏向獲得鎖的線程A，另一個是 其它想要,但還未獲得訪問通行權的線程B。
對於線程A來說： 沒有競爭的時候，它的日子過得很瀟灑，每次只需要簡單的檢查一下線程ID 就可以暢通無阻。 然而幸福總是短暫的，線程B的到來宣告 線程A開始執行 偏向撤銷
- 線程A已執行完畢的話。
偏向撤銷會恢復到 ‘未鎖定’ 的狀態（線程 ID 爲空，標誌位爲01），讓線程B重新偏向
- 線程A仍在執行的話。
虛擬機就會在線程A的棧幀中建立一個名爲鎖記錄的空間(Lock Record)，用於存儲對象頭的Mark Word拷貝，官方稱呼這個拷貝爲 Displaced Mark Word . 注意這個Displaced Mark Word 是未升級 輕量鎖 前，存儲對象頭Mark Word的拷貝。
然後線程A 嘗試獲取輕量級鎖-- 通過CAS嘗試把Mark Word的stack pointer更新爲指向本地棧幀Lock Record的指針， 更新成功，就獲得了 輕量級鎖，並且鎖標誌爲變成 00，這時的狀態可以參考下圖：
對於線程B來說：它對於線程A來說是一個外來者，是它導致了 線程A的 偏向撤銷（ 偏向撤銷不會主動發生），它也會建立自己的Lock Record，並且嘗試通過CAS把Mark Word指向自己的Lock Record，如果失敗的話，它會開始自旋等待（循環重試）。什麼是輕量鎖，輕量就在於沒有重量級的系統切換，通過CAS+自旋來避免大的性能開銷。當然，自旋的次數也是有限度的，持有輕量鎖的線程A可能不會那麼快釋放鎖，這時候 重量級鎖就登場了。
重量級鎖
上面說到 對於線程B來說，輕量鎖 都沒辦法解決的問題 就說明競爭情況不容樂觀，雖然輕量鎖不涉及系統層面的切換開銷，但是 自旋循環等操作都是消耗cpu的操作，什麼東西都有利有弊， 線程B接下來就會選擇將 輕量級鎖繼續膨脹，升級爲 重量級鎖，鎖的標誌位設爲 ‘10’，並且自我掛起等待喚醒（重量級鎖的重要特徵）。
對於線程A來說，它獲得了輕量級鎖，當它執行完邏輯內容，它需要釋放鎖，這裏釋放鎖是通過 CAS 將 Displaced Mark Word 替換當前對象頭來實現的。這裏細講下CAS的預期值，新值，內存值 是啥，新值都知道，就是Displaced Mark Word，預期值是啥？肯定希望對象頭現在存的是輕量級的鎖標誌爲 00 ，然而內存值是啥，這就要打個問號了，前文已經說了，線程B在自旋後是可以把鎖升級爲 重量級鎖，這時候線程A釋放鎖的CAS操作就會失敗，線程A依舊會退出，但是會喚醒被掛起的線程B。
至此，我們大致分析了synchronized整個鎖膨脹的流程。這一套涉及了 偏向鎖，自旋，輕量級鎖，重量級鎖，然而，synchronized除了前文主體流程之外，還涉及到其它的鎖優化技術，這也是爲什麼我認爲synchronized是JAVA鎖的集大成應用者。
JAVA的其它鎖優化
自適應鎖
我們知道了自旋鎖，還有一種自適應的自旋鎖。 自適應意味着自旋的時間不再是固定的， 而是由前一次在同一個鎖上的自旋時間以及鎖擁有者的狀態來決定。如果在同一個鎖對象上, 自旋等待剛好成功獲得鎖， 並且在持有鎖的線程在運行中， 那麼虛擬機就會認爲這次自旋也是很有可能獲得鎖， 進而它將允許自旋等待相對更長的時間。
鎖消除
給一段代碼，這是一個字符串拼接的方法，StringBuffer 是線程安全的，因爲它的每個方法都用synchronized修飾。但是這一個方法裏我們看不到共享的變量，換句話說，sb變量的作用域只在這個方法體內，變量並沒有逃逸，也就沒有多線程問題。
沒有多線程問題，用synchronized鎖是不是有點浪費？虛擬機會幫我們做逃逸分析和鎖消除，程序在運行的時候並沒有鎖的存在，儘可能幫我們提升程序性能。可惜的是我查了資料，java的逃逸分析沒在編譯期運行，我們不能通過字節碼看到直觀的優化效果。
public void test(){
StringBuffer sb = new StringBuffer();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
sb.append(i);
}
}
鎖粗化
還是上面的例子，append方法是個synchronized修飾的方法，在循環重一遍遍調用的話 就會一直經歷加鎖解鎖的過程，這也很消耗性能，鎖粗化就是把這種代碼的鎖擴大到更大的範圍，比如放到for循環以外，只做一次加鎖解鎖操作，這也是jvm幫我們做的優化。
資料
- 【死磕Java併發】—–深入分析synchronized的實現原理
- 周志明：《深入理解Java虛擬機》
文章修訂
- 2020.04.12 拓展匿名偏向的知識