作者：duktig
部落格：https://duktig.cn
優秀還努力。願你付出甘之如饴，所得歸于歡喜。
背景
synchronized
在多線程和高并發中經常用到，尤其是
synchronized
在JDK6之後進行了優化，效率堪比Lock鎖，甚至猶有過之。也是面試中的常客。
面試官：你平時用過多線程嗎？
面試官：你怎麼解決線程安全問題呢？
我：最常用的就是讓多線程的操作同步處理，常用的有
鎖和Lock
面試官：那你能說說synchronized
鎖和Lock
synchronized
的差別嗎？
我：（心裡想，這個比較容易）……
面試官：你能和所說
synchronized
的原理嗎？
我：（這個之前剛好研究過）……
面試官：
synchronized
以前是重量級鎖，之後有了很多優化，你能說說嗎？
我：
synchronized
在JDK6有了很多優化，最重要的有個鎖更新的過程，提高了獲得鎖和釋放鎖的過程。
面試官：那你能說說
synchronized
鎖更新的過程嗎？以及它是怎麼進行辨別的？
我：（GG，這個之前看了很多次，但是都沒理清楚）…… （說的一塌糊塗）
本篇文章就以清晰的流程來闡述
synchronized
的鎖更新過程，以及是怎麼進行辨別的。
synchronized與對象頭
synchronized用的鎖是存在Java對象頭裡的。如果對象是數組類型，則虛拟機用3個字寬（Word）存儲對象頭，如果對象是非數組類型，則用2字寬存儲對象頭。
Java對象頭的長度：
Java對象頭裡的Mark Word裡預設存儲對象的HashCode、分代年齡和鎖标記位。
Java對象頭的存儲結構：
在運作期間，Mark Word裡存儲的資料會随着鎖标志位的變化而變化。Mark Word可能變化為存儲以下4種資料：
32位Mark Word的狀态變化：
在64位虛拟機下，Mark Word是64bit大小的，其存儲結構如表：
synchronized的鎖更新過程
鎖更新過程依次為：無鎖狀态、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。
synchronized可以進行鎖更新，但是不能降級，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。
偏向鎖
HotSpot作者發現，大多數情況下，鎖不僅不存在多線程競争，而且總是由同一線程多次獲得，為了讓線程獲得鎖的代價更低而引入了偏向鎖。
對象頭：
- 23bit的線程ID；
- 1bit是否為偏向鎖值為1說明是偏向鎖狀态；
- 無鎖和偏向鎖2bit的鎖标志位都是01
偏向鎖加鎖過程：
- 檢查對象頭和棧幀中的鎖記錄是否存儲了目前線程的線程ID
- 即簡單測試一下對象頭的Mark Word裡是否存儲着指向目前線程的偏向鎖即可
- （為了保證目前線程每次進入和退出同步塊時不需要CAS操作加鎖和解鎖）
- 測試成功表示獲得了鎖
- 測試失敗再測試一下Mark Word中偏向鎖的辨別是否設定成1（表示目前是偏向鎖）
- 如果沒有設定，則使用CAS競争鎖
- 如果設定了，則嘗試使用CAS将對象頭的偏向鎖指向目前線程
偏向鎖撤銷過程：
偏向鎖使用了一種等到競争出現才釋放鎖的機制，是以當其他線程嘗試競争偏向鎖時，持有偏向鎖的線程才會釋放鎖。
- 前提條件：等待全局安全點（在這個時間點上沒有正在執行的位元組碼）
- 暫停擁有偏向鎖的線程，然後檢查持有偏向鎖的線程是否活着
- 如果線程不處于活動狀态，則将對象頭設定成無鎖狀态
- 如果線程仍然活着，擁有偏向鎖的棧會被執行，周遊偏向對象的鎖記錄，棧中的鎖記錄和對象頭的Mark Word要麼重新偏向于其他線程，要麼恢複到無鎖或者标記對象不适合作為偏向鎖
- 最後喚醒暫停的線程
偏向鎖獲得和撤銷鎖的過程：
偏向鎖的更新：
隻要存在兩個線程的并發競争，偏向鎖更新為輕量級鎖。
輕量級鎖
輕量級鎖加鎖過程：
- 線程在執行同步塊前，JVM在目前線程棧幀中配置設定空間，并将對象頭中的Mark Word複制到鎖記錄中（官方稱為Displaced Mark Word）
- CAS将對象頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針
- 如果成功，目前線程獲得鎖
- 如果失敗，表示其他線程競争鎖，目前線程便嘗試使用自旋來擷取鎖
輕量級鎖撤銷過程：
- CAS操作将Displaced Mark Word替換回到對象頭
- 如果成功，則表示沒有競争發生
- 如果失敗，表示目前鎖存在競争，鎖就會膨脹成重量級鎖
輕量級鎖膨脹的流程圖：
重量級鎖
因為自旋會消耗CPU，為了避免無用的自旋（比如獲得鎖的線程被阻塞住了），一旦鎖更新成重量級鎖，就不會再恢複到輕量級鎖狀态。
當鎖處于重量級鎖狀态下，其他線程試圖擷取鎖時，都會被阻塞住，當持有鎖的線程釋放鎖之後會喚醒這些線程，被喚醒的線程就會進行新一輪的奪鎖之争。
鎖的優缺點對比
參看：
- 《Java并發程式設計的藝術》
- 《Java多線程程式設計核心技術》
- 曾經總結的多線程相關的筆記