問題：

什么是自旋鎖？

說一下 synchronized 底層實現(xiàn)原理？

多線程中 synchronized 鎖升級的原理是什么？

1. 輕量級鎖的原理

引入輕量級鎖的主要目的是在多線程競爭不激烈的情況下，通過CAS機制競爭鎖減少重量級鎖產(chǎn)生的性能損耗。重量級鎖使用了操作系統(tǒng)底層的互斥鎖（Mutex Lock），會導致線程在用戶態(tài)和核心態(tài)之間頻繁切換，從而帶來較大的性能損耗。

輕量級鎖的使用場景：如果一個對象雖然有多線程要加鎖，但加鎖的時間是錯開的（也就是沒有競爭），那么可以 使用輕量級鎖來優(yōu)化。

輕量鎖存在的目的是盡可能不動用操作系統(tǒng)層面的互斥鎖，因為其性能比較差。線程的阻塞和喚醒需要CPU從用戶態(tài)轉(zhuǎn)為核心態(tài)，頻繁地阻塞和喚醒對CPU來說是一件負擔很重的工作。同時我們可以發(fā)現(xiàn)，很多對象鎖的鎖定狀態(tài)只會持續(xù)很短的一段時間，例如整數(shù)的自加操作，在很短的時間內(nèi)阻塞并喚醒線程顯然不值得，為此引入了輕量級鎖。輕量級鎖是一種自旋鎖，因為JVM本身就是一個應(yīng)用，所以希望在應(yīng)用層面上通過自旋解決線程同步問題。

public class Main {
    static final Object obj = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(()->{
           method1();
        });
        thread.start();
    }

    public static void method1() {
        synchronized( obj ) {
            // 同步塊 A
            method2();
        }
    }
    public static void method2() {
        synchronized( obj ) {
            // 同步塊 B
        }
    }
}

輕量級鎖的執(zhí)行過程：

在搶鎖線程進入臨界區(qū)之前，如果內(nèi)置鎖沒有被鎖定，JVM首先將在搶鎖線程的棧幀中建立一個鎖記錄（Lock Record），用于存儲對象Mark Word的拷貝，

然后搶鎖線程將使用CAS自旋操作，嘗試將內(nèi)置鎖對象頭的Mark Word的ptr_to_lock_record（鎖記錄指針）更新為搶鎖線程棧幀中鎖記錄的地址，如果這個更新執(zhí)行成功了，這個線程就擁有了這個對象鎖。然后JVM將Mark Word中的lock標記位改為00（輕量級鎖標志），即表示該對象處于輕量級鎖狀態(tài)。搶鎖成功之后，JVM會將Mark Word中原來的鎖對象信息（如哈希碼等）保存在搶鎖線程鎖記錄的Displaced Mark Word（可以理解為放錯地方的Mark Word）字段中，再將搶鎖線程中鎖記錄的owner指針指向鎖對象。

鎖記錄是線程私有的，每個線程都有自己的一份鎖記錄，在創(chuàng)建完鎖記錄后，會將內(nèi)置鎖對象的Mark Word復制到鎖記錄的Displaced Mark Word字段。這是為什么呢？因為內(nèi)置鎖對象的MarkWord的結(jié)構(gòu)會有所變化，Mark Word將會出現(xiàn)一個指向鎖記錄的指針，而不再存著無鎖狀態(tài)下的鎖對象哈希碼等信息，所以必須將這些信息暫存起來，供后面在鎖釋放時使用。

(1) 在搶鎖線程進入臨界區(qū)之前，如果內(nèi)置鎖沒有被鎖定，JVM首先將在搶鎖線程的棧幀中建立一個鎖記錄（Lock Record），每個線程都的棧幀都會包含一個鎖記錄的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部可以存儲鎖定對象的mark word

(2) 搶鎖線程將使用CAS自旋操作，嘗試將內(nèi)置鎖對象頭的mark word的ptr_to_lock_record（鎖記錄指針）更新為搶鎖線程棧幀中鎖記錄的地址，如果這個更新執(zhí)行成功了，這個線程就擁有了這個對象鎖。然后jvm將mark word中的lock標記位改為00，即表示該對象處于輕量級鎖狀態(tài)。

搶鎖成功之后，jvm會將mark word中原來的鎖對象信息（如哈希碼等）保存在搶鎖線程鎖記錄的Displaced Mark Word字段中，再將搶鎖線程中鎖記錄的owner指針指向鎖對象。

64位的mark word結(jié)構(gòu)如表所示：

在輕量級鎖搶占成功之后，鎖記錄和對象頭的狀態(tài)如圖所示：

鎖記錄是線程私有的，每個線程都有自己的一份鎖記錄，在創(chuàng)建完鎖記錄后，會將內(nèi)置鎖對象的Mark Word復制到鎖記錄的Displaced Mark Word字段。這是為什么呢？因為內(nèi)置鎖對象的mark word的結(jié)構(gòu)會有所變化，mark word將會出現(xiàn)一個指向鎖記錄的指針，而不再存著無鎖狀態(tài)下的鎖對象哈希碼等信息，所以必須將這些信息暫存起來，供后面在鎖釋放時使用。

(3) 如果 cas 失敗，有兩種情況：

• 如果是其它線程已經(jīng)持有了該 Object 的輕量級鎖，這時表明有競爭，進入鎖膨脹過程 ；
• 如果是自己執(zhí)行了 synchronized 鎖重入，那么再添加一條 Lock Record 作為重入的計數(shù)；

(4) 當退出 synchronized 代碼塊（解鎖時）如果有取值為 null 的鎖記錄，表示有重入，這時重置鎖記錄，表示重入計數(shù)減一

(5) 當退出 synchronized 代碼塊（解鎖時）鎖記錄的值不為 null，這時使用 cas 將 mark word的值恢復給對象頭

成功，則解鎖成功失敗，說明輕量級鎖進行了鎖膨脹或已經(jīng)升級為重量級鎖，進入重量級鎖解鎖流程

2. 輕量級鎖的分類

輕量級鎖主要有兩種：普通自旋鎖和自適應(yīng)自旋鎖。

1、普通自旋鎖

所謂普通自旋鎖，就是指當有線程來競爭鎖時，搶鎖線程會在原地循環(huán)等待，而不是被阻塞，直到那個占有鎖的線程釋放鎖之后，這個搶鎖線程才可以獲得鎖。

說明：

鎖在原地循環(huán)等待的時候是會消耗CPU的，就相當于在執(zhí)行一個什么也不干的空循環(huán)。所以輕量級鎖適用于臨界區(qū)代碼耗時很短的場景，這樣線程在原地等待很短的時間就能夠獲得鎖了。默認情況下，自旋的次數(shù)為10次，用戶可以通過-XX:PreBlockSpin選項來進行更改。

2、自適應(yīng)自旋鎖

所謂自適應(yīng)自旋鎖，就是等待線程空循環(huán)的自旋次數(shù)并非是固定的，而是會動態(tài)地根據(jù)實際情況來改變自旋等待的次數(shù)，自旋次數(shù)由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定。自適應(yīng)自旋鎖的大概原理是：

• 如果搶鎖線程在同一個鎖對象上之前成功獲得過鎖，jvm就會認為這次自旋很有可能再次成功，因此允許自旋等待持續(xù)相對更長的時間。
• 如果對于某個鎖，搶鎖線程很少成功獲得過，那么jvm將可能減少自旋時間甚至省略自旋過程，以避免浪費處理器資源。

自適應(yīng)自旋解決的是“鎖競爭時間不確定”的問題。自適應(yīng)自旋假定不同線程持有同一個鎖對象的時間基本相當，競爭程度趨于穩(wěn)定。總的思想是：根據(jù)上一次自旋的時間與結(jié)果調(diào)整下一次自旋的時間。

JDK 1.6的輕量級鎖使用的是普通自旋鎖，且需要使用-XX:+UseSpinning選項手工開啟。

JDK 1.7后，輕量級鎖使用自適應(yīng)自旋鎖，JVM啟動時自動開啟，且自旋時間由JVM自動控制。

輕量級鎖也被稱為非阻塞同步、樂觀鎖，因為這個過程并沒有把線程阻塞掛起，而是讓線程空循環(huán)等待。

3. 輕量級鎖的膨脹

輕量級鎖的問題在哪里呢？

雖然大部分臨界區(qū)代碼的執(zhí)行時間都是很短的，但是也會存在執(zhí)行得很慢的臨界區(qū)代碼。臨界區(qū)代碼執(zhí)行耗時較長，在其執(zhí)行期間，其他線程都在原地自旋等待，會空消耗CPU。因此，如果競爭這個同步鎖的線程很多，就會有多個線程在原地等待繼續(xù)空循環(huán)消耗CPU（空自旋），這會帶來很大的性能損耗。

輕量級鎖的本意是為了減少多線程進入操作系統(tǒng)底層的互斥鎖的概率，并不是要替代操作系統(tǒng)互斥鎖。所以，在爭用激烈的場景下，輕量級鎖會膨脹為基于操作系統(tǒng)內(nèi)核互斥鎖實現(xiàn)的重量級鎖。

如果在嘗試加輕量級鎖的過程中，CAS 操作無法成功，這時一種情況就是有其它線程為此對象加上了輕量級鎖（有 競爭），這時需要進行鎖膨脹，將輕量級鎖變?yōu)橹亓考夋i。

(1) 當 Thread-1 進行輕量級加鎖時，Thread-0 已經(jīng)對該對象加了輕量級鎖

這時 Thread-1 加輕量級鎖失敗，進入鎖膨脹流程，即為鎖對象申請 Monitor 鎖，讓鎖對象指向重量級鎖地址，然后自己進入 Monitor 的 EntryList BLOCKED

當 Thread-0 退出同步塊解鎖時，使用 cas 將mark word的值恢復給對象頭，失敗。這時會進入重量級解鎖 流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 對象，設(shè)置 Owner 為 null，喚醒 EntryList 中 BLOCKED 線程。

總結(jié)

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容! 

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