問(wèn)題：

什么是自旋鎖？

說(shuō)一下 synchronized 底層實(shí)現(xiàn)原理？

多線(xiàn)程中 synchronized 鎖升級(jí)的原理是什么？

1. 輕量級(jí)鎖的原理

引入輕量級(jí)鎖的主要目的是在多線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)不激烈的情況下，通過(guò)CAS機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)鎖減少重量級(jí)鎖產(chǎn)生的性能損耗。重量級(jí)鎖使用了操作系統(tǒng)底層的互斥鎖（Mutex Lock），會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)程在用戶(hù)態(tài)和核心態(tài)之間頻繁切換，從而帶來(lái)較大的性能損耗。

輕量級(jí)鎖的使用場(chǎng)景：如果一個(gè)對(duì)象雖然有多線(xiàn)程要加鎖，但加鎖的時(shí)間是錯(cuò)開(kāi)的（也就是沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)），那么可以 使用輕量級(jí)鎖來(lái)優(yōu)化。

輕量鎖存在的目的是盡可能不動(dòng)用操作系統(tǒng)層面的互斥鎖，因?yàn)槠湫阅鼙容^差。線(xiàn)程的阻塞和喚醒需要CPU從用戶(hù)態(tài)轉(zhuǎn)為核心態(tài)，頻繁地阻塞和喚醒對(duì)CPU來(lái)說(shuō)是一件負(fù)擔(dān)很重的工作。同時(shí)我們可以發(fā)現(xiàn)，很多對(duì)象鎖的鎖定狀態(tài)只會(huì)持續(xù)很短的一段時(shí)間，例如整數(shù)的自加操作，在很短的時(shí)間內(nèi)阻塞并喚醒線(xiàn)程顯然不值得，為此引入了輕量級(jí)鎖。輕量級(jí)鎖是一種自旋鎖，因?yàn)镴VM本身就是一個(gè)應(yīng)用，所以希望在應(yīng)用層面上通過(guò)自旋解決線(xiàn)程同步問(wèn)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(jí)鎖的執(zhí)行過(guò)程：

在搶鎖線(xiàn)程進(jìn)入臨界區(qū)之前，如果內(nèi)置鎖沒(méi)有被鎖定，JVM首先將在搶鎖線(xiàn)程的棧幀中建立一個(gè)鎖記錄（Lock Record），用于存儲(chǔ)對(duì)象Mark Word的拷貝，

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

鎖記錄是線(xiàn)程私有的，每個(gè)線(xiàn)程都有自己的一份鎖記錄，在創(chuàng)建完鎖記錄后，會(huì)將內(nèi)置鎖對(duì)象的Mark Word復(fù)制到鎖記錄的Displaced Mark Word字段。這是為什么呢？因?yàn)閮?nèi)置鎖對(duì)象的MarkWord的結(jié)構(gòu)會(huì)有所變化，Mark Word將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)指向鎖記錄的指針，而不再存著無(wú)鎖狀態(tài)下的鎖對(duì)象哈希碼等信息，所以必須將這些信息暫存起來(lái)，供后面在鎖釋放時(shí)使用。

(1) 在搶鎖線(xiàn)程進(jìn)入臨界區(qū)之前，如果內(nèi)置鎖沒(méi)有被鎖定，JVM首先將在搶鎖線(xiàn)程的棧幀中建立一個(gè)鎖記錄（Lock Record），每個(gè)線(xiàn)程都的棧幀都會(huì)包含一個(gè)鎖記錄的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部可以存儲(chǔ)鎖定對(duì)象的mark word

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

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

64位的mark word結(jié)構(gòu)如表所示：

在輕量級(jí)鎖搶占成功之后，鎖記錄和對(duì)象頭的狀態(tài)如圖所示：

鎖記錄是線(xiàn)程私有的，每個(gè)線(xiàn)程都有自己的一份鎖記錄，在創(chuàng)建完鎖記錄后，會(huì)將內(nèi)置鎖對(duì)象的Mark Word復(fù)制到鎖記錄的Displaced Mark Word字段。這是為什么呢？因?yàn)閮?nèi)置鎖對(duì)象的mark word的結(jié)構(gòu)會(huì)有所變化，mark word將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)指向鎖記錄的指針，而不再存著無(wú)鎖狀態(tài)下的鎖對(duì)象哈希碼等信息，所以必須將這些信息暫存起來(lái)，供后面在鎖釋放時(shí)使用。

(3) 如果 cas 失敗，有兩種情況：

• 如果是其它線(xiàn)程已經(jīng)持有了該 Object 的輕量級(jí)鎖，這時(shí)表明有競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)入鎖膨脹過(guò)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(jì)數(shù)；

(4) 當(dāng)退出 synchronized 代碼塊（解鎖時(shí)）如果有取值為 null 的鎖記錄，表示有重入，這時(shí)重置鎖記錄，表示重入計(jì)數(shù)減一

(5) 當(dāng)退出 synchronized 代碼塊（解鎖時(shí)）鎖記錄的值不為 null，這時(shí)使用 cas 將 mark word的值恢復(fù)給對(duì)象頭

成功，則解鎖成功失敗，說(shuō)明輕量級(jí)鎖進(jìn)行了鎖膨脹或已經(jīng)升級(jí)為重量級(jí)鎖，進(jìn)入重量級(jí)鎖解鎖流程

2. 輕量級(jí)鎖的分類(lèi)

輕量級(jí)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(dāng)有線(xiàn)程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)鎖時(shí)，搶鎖線(xiàn)程會(huì)在原地循環(huán)等待，而不是被阻塞，直到那個(gè)占有鎖的線(xiàn)程釋放鎖之后，這個(gè)搶鎖線(xiàn)程才可以獲得鎖。

說(shuō)明：

鎖在原地循環(huán)等待的時(shí)候是會(huì)消耗CPU的，就相當(dāng)于在執(zhí)行一個(gè)什么也不干的空循環(huán)。所以輕量級(jí)鎖適用于臨界區(qū)代碼耗時(shí)很短的場(chǎng)景，這樣線(xiàn)程在原地等待很短的時(shí)間就能夠獲得鎖了。默認(rèn)情況下，自旋的次數(shù)為10次，用戶(hù)可以通過(guò)-XX:PreBlockSpin選項(xiàng)來(lái)進(jìn)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(xiàn)程空循環(huán)的自旋次數(shù)并非是固定的，而是會(huì)動(dòng)態(tài)地根據(jù)實(shí)際情況來(lái)改變自旋等待的次數(shù)，自旋次數(shù)由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來(lái)決定。自適應(yīng)自旋鎖的大概原理是：

• 如果搶鎖線(xiàn)程在同一個(gè)鎖對(duì)象上之前成功獲得過(guò)鎖，jvm就會(huì)認(rèn)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(duì)更長(zhǎng)的時(shí)間。
• 如果對(duì)于某個(gè)鎖，搶鎖線(xiàn)程很少成功獲得過(guò)，那么jvm將可能減少自旋時(shí)間甚至省略自旋過(guò)程，以避免浪費(fèi)處理器資源。

自適應(yīng)自旋解決的是“鎖競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間不確定”的問(wèn)題。自適應(yīng)自旋假定不同線(xiàn)程持有同一個(gè)鎖對(duì)象的時(shí)間基本相當(dāng)，競(jìng)爭(zhēng)程度趨于穩(wěn)定?？偟乃枷胧牵焊鶕?jù)上一次自旋的時(shí)間與結(jié)果調(diào)整下一次自旋的時(shí)間。

JDK 1.6的輕量級(jí)鎖使用的是普通自旋鎖，且需要使用-XX:+UseSpinning選項(xiàng)手工開(kāi)啟。

JDK 1.7后，輕量級(jí)鎖使用自適應(yīng)自旋鎖，JVM啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟，且自旋時(shí)間由JVM自動(dòng)控制。

輕量級(jí)鎖也被稱(chēng)為非阻塞同步、樂(lè)觀鎖，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程并沒(méi)有把線(xiàn)程阻塞掛起，而是讓線(xiàn)程空循環(huán)等待。

3. 輕量級(jí)鎖的膨脹

輕量級(jí)鎖的問(wèn)題在哪里呢？

雖然大部分臨界區(qū)代碼的執(zhí)行時(shí)間都是很短的，但是也會(huì)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(shí)較長(zhǎng)，在其執(zhí)行期間，其他線(xiàn)程都在原地自旋等待，會(huì)空消耗CPU。因此，如果競(jìng)爭(zhēng)這個(gè)同步鎖的線(xiàn)程很多，就會(huì)有多個(gè)線(xiàn)程在原地等待繼續(xù)空循環(huán)消耗CPU（空自旋），這會(huì)帶來(lái)很大的性能損耗。

輕量級(jí)鎖的本意是為了減少多線(xiàn)程進(jìn)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(zhēng)用激烈的場(chǎng)景下，輕量級(jí)鎖會(huì)膨脹為基于操作系統(tǒng)內(nèi)核互斥鎖實(shí)現(xiàn)的重量級(jí)鎖。

如果在嘗試加輕量級(jí)鎖的過(guò)程中，CAS 操作無(wú)法成功，這時(shí)一種情況就是有其它線(xiàn)程為此對(duì)象加上了輕量級(jí)鎖（有 競(jìng)爭(zhēng)），這時(shí)需要進(jìn)行鎖膨脹，將輕量級(jí)鎖變?yōu)橹亓考?jí)鎖。

(1) 當(dāng) Thread-1 進(jìn)行輕量級(jí)加鎖時(shí)，Thread-0 已經(jīng)對(duì)該對(duì)象加了輕量級(jí)鎖

這時(shí) Thread-1 加輕量級(jí)鎖失敗，進(jìn)入鎖膨脹流程，即為鎖對(duì)象申請(qǐng) Monitor 鎖，讓鎖對(duì)象指向重量級(jí)鎖地址，然后自己進(jìn)入 Monitor 的 EntryList BLOCKED

當(dāng) Thread-0 退出同步塊解鎖時(shí)，使用 cas 將mark word的值恢復(fù)給對(duì)象頭，失敗。這時(shí)會(huì)進(jìn)入重量級(jí)解鎖 流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 對(duì)象，設(shè)置 Owner 為 null，喚醒 EntryList 中 BLOCKED 線(xiàn)程。

總結(jié)

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來(lái)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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