前言

首先，synchronized 是什么?我們需要明確的給個定義——同步鎖，沒錯，它就是把鎖。

可以用來干嘛?鎖，當(dāng)然當(dāng)然是用于線程間的同步，以及保護(hù)臨界區(qū)內(nèi)的資源。我們知道，鎖是個非常籠統(tǒng)的概念，像生活中有指紋鎖、密碼鎖等等多個種類，那 synchronized 代表的鎖具體是把什么鎖呢?

答案是—— Java 內(nèi)置鎖。在 Java 中，每個對象中都隱藏著一把鎖，而 synchronized 關(guān)鍵字就是激活這把隱式鎖的把手(開關(guān))。

先來簡單了解一下 synchronized，我們知道其共有 3 種使用方式：

Sync

hronized 的使用

• 修飾靜態(tài)方法：鎖住當(dāng)前 class，作用于該 class 的所有實例。
• 修飾非靜態(tài)方法：只會鎖住當(dāng)前 class 的實例。
• 修飾代碼塊：該方法接受一個對象作為參數(shù)，鎖住的即該對象。

使用方法就不在這里贅述，可自行搜索其詳細(xì)的用法，這不是本篇文章所關(guān)心的內(nèi)容。

知道了 synchronized 的概念，回頭來看標(biāo)題，它說的鎖升級到底是個啥?對于不太熟悉鎖升級的人來說，可能會想：

所謂鎖，不就是啪一下鎖上就完事了嗎?升級是個什么玩意?這跟打撲克牌也沒關(guān)系啊。

對于熟悉的人來說，可能會想：

不就是「無鎖 ==> 偏向鎖 ==> 輕量級鎖 ==> 重量級鎖 」嗎?

你可能在很多地方看到過上面描述的鎖升級過程，也能直接背下來。但你真的知道無鎖、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖到底代表著什么嗎?這些鎖存儲在哪里?以及什么情況下會使得鎖向下一個 level 升級?

想知道答案，我們似乎必須先搞清楚 Java 內(nèi)置鎖，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是啥樣的?內(nèi)置鎖又存放在哪里?

答案在開篇提到過——在 Java 對象中。

那么現(xiàn)在的問題就從「內(nèi)置鎖結(jié)構(gòu)是啥」變成了「Java 對象長啥樣」。

對象結(jié)構(gòu)

從宏觀上看，Java 對象的結(jié)構(gòu)很簡單，分為三部分：

Java 對象結(jié)構(gòu)

從微觀上看，各個部分都還可以深入展開，詳見下圖：

Java 詳細(xì)對象結(jié)構(gòu)

接下來分別深入討論一下這三部分。

對象頭

從腦圖中可以看出，其由 Mark Word、Class Pointer、數(shù)組長度三個字段組成。簡單來說：

• Mark Word：主要用于存儲自身運行時數(shù)據(jù)。
• Class Pointer：是指針，指向方法區(qū)中該 class 的對象，JVM 通過此字段來判斷當(dāng)前對象是哪個類的實例。
• 數(shù)組長度：當(dāng)且僅當(dāng)對象是數(shù)組時才會有該字段。

Class Pointer 和數(shù)組長度沒什么好說的，接下來重點聊聊 Mark Word。

Mark Word 所代表的「運行時數(shù)據(jù)」主要用來表示當(dāng)前 Java 對象的線程鎖狀態(tài)以及 GC 的標(biāo)志。而線程鎖狀態(tài)分別就是無鎖、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。

所以前文提到的這 4 個狀態(tài)，其實就是 Java 內(nèi)置鎖的不同狀態(tài)。

在 JDK 1.6 之前，內(nèi)置鎖都是重量級鎖，效率低下。效率低下表現(xiàn)在

而在 JDK 1.6 之后為了提高 synchronized 的效率，才引入了偏向鎖、輕量級鎖。

隨著鎖競爭逐漸激烈，其狀態(tài)會按照「無鎖 ==> 偏向鎖 ==> 輕量級鎖 ==> 重量級鎖 」這個方向逐漸升級，并且不可逆，只能進(jìn)行鎖升級，而無法進(jìn)行鎖降級。

接下來我們思考一個問題，既然 Mark Word 可以表示 4 種不同的鎖狀態(tài)，其內(nèi)部到底是怎么區(qū)分的呢?(由于目前主流的 JVM 都是 64 位，所以我們只討論 64 位的 Mark Word)接下來我們通過圖片直觀的感受一下。

(1)無鎖

無鎖

這個可以理解為單線程很快樂的運行，沒有其他的線程來和其競爭。

(2)偏向鎖

偏向鎖

首先，什么叫偏向鎖?舉個例子，一段同步的代碼，一直只被線程 A 訪問，既然沒有其他的線程來競爭，每次都要獲取鎖豈不是浪費資源?所以這種情況下線程 A 就會自動進(jìn)入偏向鎖的狀態(tài)。

后續(xù)線程 A 再次訪問同步代碼時，不需要做任何的 check，直接執(zhí)行(對該線程的「偏愛」)，這樣降低了獲取鎖的代價，提升了效率。

看到這里，你會發(fā)現(xiàn)無鎖、偏向鎖的 lock 標(biāo)志位是一樣的，即都是 01，這是因為無鎖、偏向鎖是靠字段 biased_lock 來區(qū)分的，0 代表沒有使用偏向鎖，1 代表啟用了偏向鎖。為什么要這么搞?你可以理解為無鎖、偏向鎖在本質(zhì)上都可以理解為無鎖(參考上面提到的線程 A 的狀態(tài))，所以 lock 的標(biāo)志位都是 01 是沒毛病的。

PS：這里的線程 ID 是持有當(dāng)前對象偏向鎖的線程

(3)輕量級鎖

輕量級鎖

但是，一旦有第二個線程參與競爭，就會立即膨脹為輕量級鎖。企圖搶占的線程一開始會使用自旋：

的方式去嘗試獲取鎖。如果循環(huán)幾次，其他的線程釋放了鎖，就不需要進(jìn)行用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。雖然如此，但自旋需要占用很多 CPU 的資源(自行理解汽車空檔瘋狂踩油門)。如果另一個線程 一直不釋放鎖，難道它就在這一直空轉(zhuǎn)下去嗎?

當(dāng)然不可能，JDK 1.7 之前是普通自旋，會設(shè)定一個最大的自旋次數(shù)，默認(rèn)是 10 次，超過這個閾值就停止自旋。JDK 1.7 之后，引入了適應(yīng)性自旋。簡單來說就是：這次自旋獲取到鎖了，自旋的次數(shù)就會增加;這次自旋沒拿到鎖，自旋的次數(shù)就會減少。

(4)重量級鎖

重量級鎖

上面提到，試圖搶占的線程自旋達(dá)到閾值，就會停止自旋，那么此時鎖就會膨脹成重量級鎖。當(dāng)其膨脹成重量級鎖后，其他競爭的線程進(jìn)來就不會自旋了，而是直接阻塞等待，并且 Mark Word 中的內(nèi)容會變成一個監(jiān)視器(monitor)對象，用來統(tǒng)一管理排隊的線程。

這個 monitor 對象，每個對象都會關(guān)聯(lián)一個。monitor 對象本質(zhì)上是一個同步機(jī)制，保證了同時只有一個線程能夠進(jìn)入臨界區(qū)，在 HotSpot 的虛擬機(jī)中，是由 C++ 類 ObjectMonitor 實現(xiàn)的。

那么 monitor 對象具體是如何來管理線程的?接下來我們看幾個 ObjectMonitor 類關(guān)鍵的屬性：

• ContentionQueue：是個隊列，所有競爭鎖的線程都會先進(jìn)入這個隊列中，可以理解為線程的統(tǒng)一入口，進(jìn)入的線程會阻塞。
• EntryList：ContentionQueue 中有資格的線程會被移動到這里，相當(dāng)于進(jìn)行一輪初篩，進(jìn)入的線程會阻塞。
• Owner：擁有當(dāng)前 monitor 對象的線程，即 —— 持有鎖的那個線程。
• OnDeck：與 Owner 線程進(jìn)行競爭的線程，同一時刻只會有一個 OnDeck 線程在競爭。
• WaitSet：當(dāng) Owner 線程調(diào)用 wait() 方法被阻塞之后，會被放到這里。當(dāng)其被喚醒之后，會重新進(jìn)入 EntryList 當(dāng)中，這個集合的線程都會阻塞。
• Count：用于實現(xiàn)可重入鎖，synchronized 是可重入的。

對象體

對象體包含了當(dāng)前對象的字段和值，在業(yè)務(wù)中u l是較為核心的部分。

對齊字節(jié)

就是單純用于填充的字節(jié)，沒有其他的業(yè)務(wù)含義。其目的是為了保證對象所占用的內(nèi)存大小為 8 的倍數(shù)，因為HotSpot VM 的內(nèi)存管理要求對象的起始地址必須是 8 的倍數(shù)。

鎖升級

了解完 4 種鎖狀態(tài)之后，我們就可以整體的來看一下鎖升級的過程了。

線程 A 進(jìn)入 synchronized 開始搶鎖，JVM 會判斷當(dāng)前是否是偏向鎖的狀態(tài)，如果是就會根據(jù) Mark Word 中存儲的線程 ID 來判斷，當(dāng)前線程 A 是否就是持有偏向鎖的線程。如果是，則忽略 check，線程 A 直接執(zhí)行臨界區(qū)內(nèi)的代碼。

但如果 Mark Word 里的線程不是線程 A，就會通過自旋嘗試獲取鎖，如果獲取到了，就將 Mark Word 中的線程 ID 改為自己的;如果競爭失敗，就會立馬撤銷偏向鎖，膨脹為輕量級鎖。

后續(xù)的競爭線程都會通過自旋來嘗試獲取鎖，如果自旋成功那么鎖的狀態(tài)仍然是輕量級鎖。然而如果競爭失敗，鎖會膨脹為重量級鎖，后續(xù)等待的競爭的線程都會被阻塞。

鎖升級過程

EOF

其實偏向鎖還有一個撤銷的過程，也是有代價的，但相比于偏向鎖帶好的好處，是能夠接受的。但我們這里重點的還是關(guān)注鎖升級的具體邏輯和細(xì)節(jié)，關(guān)于鎖升級的過程就聊到這里。