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再有人說synchronized是重量級鎖，就把這篇文章扔給他看

2022-10-21 12:02:23

synchronized作為Java程式設計師最常用同步工具，很多人卻對它的用法和實現原理一知半解，以至於還有不少人認為synchronized是重量級鎖，效能較差，儘量少用。

但不可否認的是synchronized依然是並行首選工具，連volatile、CAS、ReentrantLock都無法動搖synchronized的地位。synchronized是工作面試中的必備技能，今天就跟著一燈一塊深入剖析synchronized底層到底做了哪些優化？

synchronized是用來加鎖的，而鎖是加在物件上面，所以需要先聊一下JVM中物件構成。

1. 物件的構成

Java物件在JVM記憶體中由三塊區域組成：物件頭、範例資料和對齊填充。

物件頭又分為：Mark Word（標記欄位）、Class Pointer（型別指標）、陣列長度（如果是陣列）。

範例資料是物件實際有效資訊，包括本類資訊和父類別資訊等。

對齊填充沒有特殊含義，由於虛擬機器器要求 物件起始地址必須是8位元組的整數倍，作用僅是位元組對齊。

Class Pointer是物件指向它的類後設資料的指標，虛擬機器器通過這個指標來確定這個物件是哪個類的範例。

重點關注一下物件頭中Mark Word，裡面儲存了物件的hashcode、鎖狀態標識、持有鎖的執行緒id、GC分代年齡等。

在32為的虛擬機器器中，Mark Word的組成如下：

2. synchronized鎖優化

從JDK1.6開始，就對synchronized的實現機制進行了較大調整，包括使用JDK1.5引進的CAS自旋之外，還增加了自適應的CAS自旋、鎖消除、鎖粗化、偏向鎖、輕量級鎖等優化策略。由於使得synchronized效能極大提高，同時語意清晰、操作簡單、無需手動關閉，所以推薦在允許的情況下儘量使用此關鍵字，同時在效能上此關鍵字還有優化的空間。

鎖主要存在四種狀態，依次是：無鎖狀態、偏向鎖狀態、輕量級鎖狀態、重量級鎖狀態，效能依次是從高到低。鎖可以從偏向鎖升級到輕量級鎖，再升級的重量級鎖。但是鎖的升級是單向的，也就是說只能從低到高升級，不會出現鎖的降級。

在 JDK 1.6 中預設是開啟偏向鎖和輕量級鎖的，可以通過-XX:-UseBiasedLocking來禁用偏向鎖。

2.1 自旋鎖

執行緒的掛起與恢復需要CPU從使用者態轉為核心態，頻繁的阻塞和喚醒對CPU來說是一件負擔很重的工作，勢必會給系統的並行效能帶來很大的壓力。同時我們發現在許多應用上面，物件鎖的鎖狀態只會持續很短一段時間，為了這一段很短的時間頻繁地阻塞和喚醒執行緒是非常不值得的。

自旋鎖就是指當一個執行緒嘗試獲取某個鎖時，如果該鎖已被其他執行緒佔用，就一直迴圈檢測鎖是否被釋放，而不是進入執行緒掛起或睡眠狀態。

自旋鎖適用於鎖保護的臨界區很小的情況，臨界區很小的話，鎖佔用的時間就很短。自旋等待不能替代阻塞，雖然它可以避免執行緒切換帶來的開銷，但是它佔用了CPU處理器的時間。如果持有鎖的執行緒很快就釋放了鎖，那麼自旋的效率就非常好，反之，自旋的執行緒就會白白消耗掉處理的資源，它不會做任何有意義的工作，這樣反而會帶來效能上的浪費。所以說，自旋等待的時間（自旋的次數）必須要有一個限度，如果自旋超過了定義的時間仍然沒有獲取到鎖，則應該被掛起。

自旋鎖在JDK 1.4.2中引入，預設關閉，但是可以使用-XX:+UseSpinning開開啟，在JDK1.6中預設開啟。同時自旋的預設次數為10次，可以通過引數-XX:PreBlockSpin來調整。

2.2 自適應自旋鎖

JDK 1.6引入了更加智慧的自旋鎖，即自適應自旋鎖。自適應就意味著自旋的次數不再是固定的，它是由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態來決定。那它如何進行適應性自旋呢？

執行緒如果自旋成功了，那麼下次自旋的次數會更加多，因為虛擬機器器認為既然上次成功了，那麼此次自旋也很有可能會再次成功，那麼它就會允許自旋等待持續的次數更多。反之，如果對於某個鎖，很少有自旋能夠成功，那麼在以後要或者這個鎖的時候自旋的次數會減少甚至省略掉自旋過程，以免浪費CPU資源。

有了自適應自旋鎖，隨著程式執行和效能監控資訊的不斷完善，虛擬機器器對程式鎖的狀況預測會越來越準確，虛擬機器器會變得越來越聰明。

2.3 鎖消除

JVM在JIT編譯時通過對執行上下文的掃描，經過逃逸分析，對於某段程式碼不存在競爭或共用的可能性，就會講這段程式碼的鎖消除，提升程式執行效率。

public void method() {
    final Object LOCK = new Object();
    synchronized (LOCK) {
        // do something
    }
}

比如上面程式碼中鎖，是方法中私有的，又是不可變的，完全沒必要加鎖，所以JVM就會執行鎖消除。

2.4 鎖粗化

按理來說，同步塊的作用範圍應該儘可能小，僅在共用資料的實際作用域中才進行同步，這樣做的目的是為了使需要同步的運算元量儘可能縮小，縮短阻塞時間，如果存在鎖競爭，那麼等待鎖的執行緒也能儘快拿到鎖。
但是加鎖解鎖也需要消耗資源，如果存在一系列的連續加鎖解鎖操作，可能會導致不必要的效能損耗。

鎖粗化就是將多個連續的加鎖、解鎖操作連線在一起，擴充套件成一個範圍更大的鎖，避免頻繁的加鎖解鎖操作。

public void method(Object LOCK) {
    synchronized (LOCK) {
        // do something1
    }
    synchronized (LOCK) {
        // do something2
    }
}

比如上面方法中兩個加鎖的程式碼塊，完全可以合併成一個，減少頻繁加鎖解鎖帶來的開銷，提升程式執行效率。

2.5 偏向鎖

為什麼要引入偏向鎖？

因為經過HotSpot的作者大量的研究發現，大多數時候是不存在鎖競爭的，通常是一個執行緒多次獲得同一把鎖，因此如果每次都要競爭鎖會增大很多沒有必要付出的代價，為了降低獲取鎖的代價，才引入的偏向鎖。

2.6 輕量級鎖

輕量級鎖考慮的是競爭鎖物件的執行緒不多，而且執行緒持有鎖的時間也不長的場景。因為阻塞執行緒需要CPU從使用者態轉到核心態，代價較大，如果剛剛阻塞不久這個鎖就被釋放了，那這個代價就有點得不償失了，因此這個時候就乾脆不阻塞這個執行緒，讓它自旋（CAS）這等待鎖釋放。

加鎖過程：當程式碼進入同步塊時，如果同步物件為無鎖狀態時，當前執行緒會在棧幀中建立一個鎖記錄(Lock Record)區域，同時將鎖物件的物件頭中 Mark Word 拷貝到鎖記錄中，再嘗試使用 CAS 將 Mark Word 更新為指向鎖記錄的指標。如果更新成功，當前執行緒就獲得了鎖。

解鎖過程：輕量鎖的解鎖過程也是利用 CAS 來實現的，會嘗試鎖記錄替換回鎖物件的 Mark Word 。如果替換成功則說明整個同步操作完成，失敗則說明有其他執行緒嘗試獲取鎖，這時就會喚醒被掛起的執行緒(此時已經膨脹為重量鎖)

2.7 重量級鎖

synchronized是通過物件內部的監視器鎖（Monitor）來實現的。但是監視器鎖本質又是依賴於底層的作業系統的互斥鎖（Mutex Lock）來實現的。

重量級鎖的工作流程：當系統檢查到鎖是重量級鎖之後，會把等待想要獲得鎖的執行緒進行阻塞，被阻塞的執行緒不會消耗cpu。但是阻塞或者喚醒一個執行緒時，都需要作業系統來幫忙，這就需要從使用者態轉換到核心態，而轉換狀態是需要消耗很多時間的，有可能比使用者執行程式碼的時間還要長，所以重量級鎖的開銷還是很大的。

在鎖競爭激烈、鎖持有時間長的場景，還是適合使用重量級鎖的。

2.8 鎖升級過程

2.9 鎖的優缺點對比

鎖的效能從低到高，依次是無鎖、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。不同的鎖只是適合不同的場景，大家可以依據實際場景自行選擇。

3. 總結

synchronized鎖經過多次迭代優化，已經不像以前那麼重了，在JDK1.8的ConcurrentHashMap原始碼中已經大量使用synchronized做同步控制，大家在日常開發中可以放心使用了。