Java并发编程专题系列之深入分析synchronized（分析篇）
前提承接
针对于之前两篇关于synchronized的文章，主要介绍关于synchronized在字节码中的实现方式和表现形式（同步代码块和同步方法）Java并发编程专题系列之深入分析synchronized（基础篇）以及先关针对于同步锁的实现原理比如ObjectMonitor的数据结构以及等待队列和同步队列等Java并发编程专题系列之深入分析synchronized（进阶篇），本文主要介绍针对于在执行角度包含对象锁的结构（标记字段的状态）和相关加锁过程进行相关的流程梳理以及对前两章的总结。
synchronized关键字
synchronized的锁机制的主要优势是Java语言内置的锁机制，因此，JVM可以自由的优化而不影响已存在的代码。
任何对象都拥有对象头这一数据结构来支持锁，但是对于较大的对象系统开销会更大一些。
java中的每一个对象都至少包含2个字（2 * 4 Bytes for 32bits & 2 * 8 Bytes for 64bits, 不包括已压缩的对象）。
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第一个字被称为Mark Word。这是一个对象的头，它包含了不同的信息，包括锁的相关信息（32bitOS->8bit大小、64bitOS->16bit大小）。
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第二个字是指向metadata class的指针，metadata class字义了对象的类型。这部分也包含了VMT（Virtual Method Table）。
Mark Word 的结构如下所示：
Mark Word根据最低两位（Tag）的所表示的对象状态（包含了锁的类型），编码了不同的信息。
如果这个对象没有被用作锁，Mark Word 记录了hashcode和对象年龄（for GC/survivors）。
除此之外，有3种状态对应锁：轻量级锁，重量级锁和偏向锁。
轻量级锁
现代JVM都引入了轻量级锁
避免将每个对象关联操作系统的mutex/condition变量（重量级锁）
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当不存在锁竞争时，使用原子操作来进入退出同步块
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如果发生锁竞争，回退到操作系统的重量级锁
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引入轻量级锁会提供锁效率，因为大部分锁都不存在竞争。
轻量级锁的加锁过程
当一个对象被锁定时，mark word被复制到当前尝试获取锁的线程的线程栈（Execution stack）的锁记录空间（lock record）, 被复制的mark word官方称为displaced mark。
使用CAS操作来尝试使mark word指向当前线程的锁记录空间（即在mark word中存入使用当前线程锁记录空间的指针——stack pointer）。
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如果CAS操作成功，则线程获得锁。
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如果CAS操作失败，即存在锁竞争，则发生锁膨胀，回退到重量级锁。
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锁记录空间中记录了被当前执行方法锁定的对象（通过遍历线程栈找到线程的锁对象）。
轻量级锁加锁前：
轻量级锁加锁后：
经量级锁的解锁过程：
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解锁使用CAS来把
displaced mark写回对象的mark word中。 -
如果CAS失败， 表示发生锁竞争：则锁膨胀。（通知其他等待线程锁已释放）将锁记录空间置为0；
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如果发生锁膨胀，则用0替换
displaced mark，如果不存在竞争，则CAS将锁记录空间置为0后，停止CAS操作。
偏向锁
偏向锁的引入
在多处理器上CAS操作可能开销很大。
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大多数锁不仅不存在竞争，而且往往由同一个线程使用。
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使单独一个线程获取锁的开销更低。
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代价是使另一个线程获取锁开销增大。
偏向锁加锁过程
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锁对象第一次被线程获取时，VM把对象头中的标志位设为101，即偏向模式。
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同时使用CAS把获取到这个锁的线程ID记录在对象的mark word中，如果CAS成功，则持有偏向锁的线程以后每次进行这个锁相关的同步块时，不再进行任务同步操作，只进行比较Mark word中的线程ID是否是当前线程的ID。
偏向锁的解锁过程
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当另外一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式结束。根据锁对象目前是否处于被锁定状态，撤销偏向后恢复到未锁定或轻量级锁定状态。
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VM会停止持有偏向锁的线程（实际上，VM不能停止单一线程，而是在安全点进行的操作）。
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遍历持有偏向锁的线程的栈，找到锁记录空间，将displaced mark 写入到最旧的锁记录空间，其他的写0。
更新锁对象的mark word。如果被锁定，则指向最旧的锁记录空间，否则，填入未锁定值。
偏向锁的特点：
- 偏向于第一个获取锁的线程：
在mark word的Tag中增加一位
001表示无锁状态
101表示偏向或可偏向状态（thread ID ==0 == unlock）
通过CAS来获取偏向锁
- 对于持有锁的线程接下的锁获取和释放开销非常小（仅仅判断下，不需要CAS同步操作）。
如果另一个线程锁定了偏向锁对象，则偏向锁收回，升级为轻量级锁（增加了另一个线程获取锁的开销）。
