Synchronized 锁升级
锁的基础知识
锁的类型
从宏观上锁分为乐观锁和悲观锁
- 乐观锁：认为读多写少，遇到并发写情况较少。每次读取数据时都认为数据不会修改，不会加锁；在更新时会判断在这期间是否有数据修改，判断读取的版本号与当前版本号是否一致。java中乐观锁通过cas操作实现。
- 悲观锁：即认为写多，遇到并发写情况较多。每次读取数据时都会加锁，其他线程读取数据时都要block等待锁释放。java中悲观锁通过Synchronized实现。
JAVA线程阻塞的代价
java 的线程是映射到原生操作系统线程上的，阻塞和唤醒操作系统都需要操作系统介入的，需要在用户态和核心态之间转换。这种切换会耗费大量操作系统资源，因为用户态和核心态都有各自专用的内存空间、寄存器等。用户态切换到内核态需要传递许多变量、参数给内核，内核也需要保存好用户态在切换时的寄存器值和变量。
markword对象头标识
markword是java对象数据结构中的一部分，他的最后2bit是锁状态标识，用来标记当前对象所处的状态。
- 01：未锁定（对象的hash值、对象年龄分代）
- 00：轻量级锁（指向锁记录的指针）
- 10：重量级锁（指向重量级锁的指针）
- 01：偏向锁（偏向线程ID、偏向时间、对象年龄代）
Synchronized 实现原理
实现原理图如下：
image.png
当多个线程同时访问某个监控对象时，对象监控器会将这些线程存储在不同容器中。
- ContentionList:竞争队列，所有线程首先存储在竞争队列中
- EntryList:竞争队列中有资格成为候选资源的线程被移动到EntryList中
- WaitSet:调用wait()方法的阻塞线程放置在WaitSet中
- onDeck:任意时刻最多只有一个线程在竞争锁资源，该线程为OnDeck
- Owner:当前已经取得资源的线程为Owner
JVM每次从对尾取出一个线程作为竞争候选者（OnDeck），在并发情况下ContentionList中的并发线程执行CAS访问。JVM 会对部分线程移动到EntryList作为候选竞争线程。Owner线程会在unlock时，将部分ContentionList中的线程移动到EntryList中，并指定某个EntryList中的线程为OnDeck线程，OnDeck需要重新竞争锁，竞争切换。
OnDeck在取得资源时会变为Owner线程，如果没有取得资源仍会留在EntryList中，如果Owner线程调用wait()方法阻塞，则会转移到WaitSet中，直到调用notify或者notifyAll唤醒，重新进入EntryList中。
锁升级
锁的状态：无锁状态、偏向锁、轻量级锁状态、重量级锁状态（级别由低到高）
偏向锁
偏向锁他会偏向第一次访问的线程，当线程获取锁对象时，会在java对象头markword中记录偏向锁的threadID，并不会主动释放偏向锁。当同一个线程再次获取锁时会比较当前的threadID与对象头中的threadID是否一致。如果一致则不需要通过CAS来加锁、解锁。如果不一致并且线程还需要持续持有锁，则暂停当前线程撤销偏向锁，升级为轻量级锁。如果不在需要持续持有锁则锁对象头设为无锁状态，重新设置偏向锁。
偏向锁过程：
- 访问Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1，锁标识位是否为01，确认偏向状态
- 如果为可偏向状态，则判断当前线程ID是否为偏向线程
- 如果偏向线程未只想当前线程，则通过cas操作竞争锁，如果竞争成功则操作Mark Word中线程ID设置为当前线程ID
- 如果cas偏向锁获取失败，则挂起当前偏向锁线程，偏向锁升级为轻量级锁。
轻量级锁
轻量级锁由偏向锁升级而来，偏向锁运行在一个线程同步块时，第二个线程加入锁竞争的时候，偏向锁就会升级为轻量级锁。
轻量级锁过程：
- 线程由偏向锁升级为轻量级锁时，会先把锁的对象头MarkWord复制一份到线程的栈帧中，建立一个名为锁记录空间（Lock Record），用于存储当前Mark Word的拷贝。
- 虚拟机使用cas操作尝试将对象的Mark Word指向Lock Record的指针，并将Lock record里的owner指针指对象的Mark Word。
- 如果cas操作成功，则该线程拥有了对象的轻量级锁。第二个线程cas自选锁等待锁线程释放锁。
- 如果多个线程竞争锁，轻量级锁要膨胀为重量级锁，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针。其他等待线程进入阻塞状态。
synchronized的执行过程：
- 检测Mark Word里面是不是当前线程的ID，如果是，表示当前线程处于偏向锁
- 如果不是，则使用CAS将当前线程的ID替换Mard Word，如果成功则表示当前线程获得偏向锁，置偏向标志位1
- 如果失败，则说明发生竞争，撤销偏向锁，进而升级为轻量级锁。
- 当前线程使用CAS将对象头的Mark Word替换为锁记录指针，如果成功，当前线程获得锁
- 如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。
- 如果自旋成功则依然处于轻量级状态。
- 如果自旋失败，则升级为重量级锁。
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