synchronized的实现原理——锁膨胀过程
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前言
上一篇分析了优化后的synchronized在不同场景下对象头中的表现形式，还记得那个结论吗？ 当一个线程第一次获取锁后再去拿锁就是偏向锁，如果有别的线程和当前线程交替执行就膨胀为轻量级锁，如果发生竞争就会膨胀为重量级锁 。这句话看起来很简单，但实际上synhronized的膨胀过程是非常复杂的，有许多场景和细节需要考虑，本篇就对其进行详细分析。
正文
先来看一个案例代码：
public class TestInflate {
static Thread t2;
static Thread t3;
static Thread t1;
static int loopFlag = 19;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//a 没有线程偏向---匿名 101偏向锁
List<A> list = new ArrayList<>();
t1 = new Thread() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < loopFlag; i++) {
A a = new A();
list.add(a);
synchronized (a) {
log.debug(i + " " + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintableTest(a));
}
}
log.debug("========t2=================");
LockSupport.unpark(t2);
}
};
t2 = new Thread() {
@Override
public void run() {
LockSupport.park();
for (int i = 0; i < loopFlag; i++) {
A a = list.get(i);
log.debug(i + " " + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable(a));
synchronized (a) {
log.debug(i + " " + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable(a));
}
log.debug(i + " " + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable(a));
}
log.debug("======t3=====================================");
LockSupport.unpark(t3);
}
};
t3 = new Thread() {
@Override
public void run() {
LockSupport.park();
for (int i = 0; i < loopFlag; i++) {
A a = list.get(i);
log.debug(i + " " + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable(a));
synchronized (a) {
log.debug(i + " " + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable(a));
}
log.debug(i + " " + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable(a));
}
}
};
t1.start();
t2.start();
t3.start();
t3.join();
log.debug(ClassLayout.parseInstance(new A()).toPrintable());
}
这里创建了三个线程t1、t2、t3，在t1中创建了loopFlag个对象并依次加锁，然后放入到list中，t2等待t1执行完成后依次读取list中对象进行加锁并打印加锁前、加锁后、解锁后的对象头，t3和t2相同，只不过需要等待t2执行完才开始执行，最后等三个线程执行完成后再新建一个对象并打印对象头（注意运行该代码需要关闭偏向延迟-XX:BiasedLockingStartupDelay=0）。
偏向锁
偏向锁没什么好演示的，但是在源码中获取偏向锁是第一步，且逻辑比较多，有以下几点需要注意：
- 是否已经超过偏向延迟指定的时间，若没有，则只能获取轻量锁
- 是否允许偏向
- 如果只有当前线程且是第一次则直接获取偏向锁（使用class对象中的mark word和线程id做"或"操作，得到一个新的header，并通过CAS替换锁对象头，替换成功则获取到偏向锁，否则进入锁升级的流程）
- 是否调用了锁对象未重写的hashcode（对应源码中的Object#hash或System.identityHashCode()方法），hashcode会占用对象头的空间，导致无法偏向
- 线程是否交替执行（即当前线程ID和对象头中的线程ID不一致），若是交替执行可能获取到偏向锁、轻量锁，细节下文详细讲述。
轻量锁
首先注释掉t3，先设置loopFlag=19运行t1和t2，你能猜到打印的对象头是什么样的么？（为节省篇幅，下文对象头都只截取最后8位展示）
15:57:38.579 [Thread-0] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 0 00000101
15:57:38.580 [Thread-0] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 1 00000101
......
15:57:38.582 [Thread-0] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 17 00000101
15:57:38.582 [Thread-0] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 18 00000101
15:57:38.582 [Thread-0] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - ========t2=================
15:57:38.582 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 0 00000101
15:57:38.583 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 0 10000000
15:57:38.583 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 0 00000001
15:57:38.583 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 1 00000101
15:57:38.583 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 1 10000000
15:57:38.583 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 1 00000001
......
15:57:38.589 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 17 00000101
15:57:38.589 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 17 10000000
15:57:38.589 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 17 00000001
15:57:38.589 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 18 00000101
15:57:38.590 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 18 10000000
15:57:38.590 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 18 00000001
15:57:38.590 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - ======t3=====================================
15:57:38.590 [main] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - cn.dark.entity.A object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 2c 6a 01 f8 (00101100 01101010 00000001 11111000) (-134125012)
12 4 (loss due to the next object alignment)
t1线程不用想，肯定都是101，因为拿到的是偏向锁，但是t2就和我上一篇说的有点不一样了。t2加锁前的状态和t1解锁后是一样的，偏向锁解锁不会改变对象头，接着对其加锁，判断当前线程id和对象头中的线程id是否相同，由于不相同所以会做 偏向撤销 （即将状态修改为001无锁状态）并膨胀为 轻量锁 （实际上对象第一次加锁时，也有这个判断，接着会判断是不是 匿名偏向 ，即是不是可偏向模式且第一次加锁，是则直接获取偏向锁），状态改为00。
需要注意轻量锁加锁前会在当前线程栈帧中创建一个 无锁的Lock Record ，加锁时就会使用CAS操作判断当前对象头中的mark word是否和lr中的displaced word相等，由于都是001所以能加锁成功，之后轻量锁解锁只需要将lr中的dr恢复到当前对象头中（001），这样下一个线程才能对该对象再次加锁。需要注意虽然轻量锁解锁后对象头是001状态，但新建的对象依然是默认的101可偏向无锁状态，正如上面最后一次打印。
批量重偏向
上面创建的19个对象在膨胀为轻量锁的时候都会进行 偏向撤销 ，但是撤销是有性能损耗的，所以JVM设置了一个阈值，当撤销达到20次的时候就会进行 批量重偏向 ，该阈值可通过-XX:BiasedLockingBulkRebiasThreshold=20修改。
将上面代码中的loopFlag改为大于19的数打印结果（后面都不再展示t1线程的打印结果）：
16:52:02.005 [Thread-0] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - ========t2=================
16:52:02.005 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 0 00000101
16:52:02.005 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 0 00110000
16:52:02.005 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 0 00000001
......
16:52:02.011 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 18 00000101
16:52:02.012 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 18 00110000
16:52:02.012 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 18 00000001
16:52:02.012 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 19 00000101
16:52:02.012 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 19 00000101
16:52:02.012 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 19 00000101
16:52:02.012 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 20 00000101
16:52:02.012 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 20 00000101
16:52:02.012 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 20 00000101
16:54:45.035 [main] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - cn.dark.entity.A object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 05 01 00 00 (00000101 00000001 00000000 00000000) (261)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 2c 6a 01 f8 (00101100 01101010 00000001 11111000) (-134125012)
12 4 (loss due to the next object alignment)
前面19个对象都需要进行撤销，当达到20时，所有的对象头都变成了101了，并且偏向当前线程t2（这里需要注意， 批量 指的是当前正被加锁的所有对象，还没有加锁的，即从第21个对象开始都是 逐个 重偏向；另外虽重偏向是先将锁对象设置为可偏向无锁模式101，再讲线程id设置进去），如果此时你打印完整的对象头出来还会发现 偏向时间戳标志 设置为了01，即代表过期进行了重偏向。需要注意，这时候新建的对象也是101状态，且是 重偏向 。
批量撤销
JVM还有一个参数-XX:BiasedLockingBulkRevokeThreshold=40用来控制 批量撤销 ，即默认当一个 类 累计撤销达到40次，那么新建的对象就直接是 无锁不可偏向 的，因为JVM认为这是代码存在了严重的问题。
将t3注释放开，并将loopFlag设置为50，观察结果：
17:15:46.640 [Thread-1] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - ======t3=====================================
17:15:46.640 [Thread-2] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 0 00000001
17:15:46.640 [Thread-2] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 0 11100000
17:15:46.640 [Thread-2] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 0 00000001
......
17:15:46.644 [Thread-2] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 18 00000001
17:15:46.644 [Thread-2] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 18 11100000
17:15:46.644 [Thread-2] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 18 00000001
17:15:46.644 [Thread-2] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 19 00000101
17:15:46.644 [Thread-2] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 19 11100000
17:15:46.644 [Thread-2] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 19 00000001
.......
17:15:46.650 [Thread-2] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 39 00000101
17:15:46.650 [Thread-2] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 39 11100000
17:15:46.651 [Thread-2] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 39 00000001
......
17:15:46.652 [Thread-2] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 49 00000101
17:15:46.652 [Thread-2] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 49 11100000
17:15:46.653 [Thread-2] DEBUG cn.dark.ex6.TestInflate - 49 00000001
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 2c 6a 01 f8 (00101100 01101010 00000001 11111000) (-134125012)
12 4 (loss due to the next object alignment)
t3线程前面20个对象都是从001加锁为轻量锁，所以不用进行撤销，而t2线程从第21个对象开始都是获取的偏向锁，所以，t3线程就需要从第21个对象开始撤销，当和其它所有线程对该类对象累计撤销了40次后新建的对象都不能再获取偏向锁（这里博主是直接设置的50个对象，读者可以设置40个对象来验证），不过在此之前已经获取偏向锁的对象还是要逐个撤销。
但是系统是长期运行的，可能批量重偏向之后很久才会累计撤销达到40次，比如一个月、一年甚至更久，这种情况下就没有必要进行批量撤销了，因此JVM提供了一个参数-XX:BiasedLockingDecayTime=25000，即默认距上一次批量重偏向超过25000ms后，计数器就会重置为0。下面是JVM关于这一点的源码：
// 当前时间
jlong cur_time = os::javaTimeMillis();
// 该类上一次批量撤销的时间
jlong last_bulk_revocation_time = k->last_biased_lock_bulk_revocation_time();
// 该类偏向锁撤销的次数
int revocation_count = k->biased_lock_revocation_count();
// BiasedLockingBulkRebiasThreshold是重偏向阈值（默认20），
// BiasedLockingBulkRevokeThreshold是批量撤销阈值（默认40），
// BiasedLockingDecayTime默认25000。
if ((revocation_count >= BiasedLockingBulkRebiasThreshold) &&
(revocation_count < BiasedLockingBulkRevokeThreshold) &&
(last_bulk_revocation_time != 0) &&
(cur_time - last_bulk_revocation_time >= BiasedLockingDecayTime)) {
// 重置计数器
k->set_biased_lock_revocation_count(0);
revocation_count = 0;
}
具体案例很简单，读者们可以思考下怎么验证这个结论。
重量锁
由于synchronized是c++语言实现的，实现比较复杂，就不进行详细的源码分析了，下面只是对其实现原理的一个总结。另外重量锁的实现原理和ReentrantLock的思想是一样的，读者们可以对比理解。
当多个线程发生竞争的时候，synchronized就会膨胀为重量锁，这时会创建一个ObjectMoitor对象，这个对象包含了三个由ObjectWaiter对象组成的队列： cxq 、 EntryList 、 WaitSet ，以及两个字段 owner 和 Read Thread 。cxq和EntryList都是获取锁失败用来存储等待的线程的，WaitSet则是Java中调用wait方法进入阻塞的线程，owner指向当前获取锁的线程，而Read Thread则表示从cxq和EntryList中挑选出来去抢锁的线程，但由于是非公平锁，所以不一定能抢到锁。
在膨胀为重量锁的时候若没有获取到锁，不是立马就阻塞未获取到锁的线程，因其是 非公平锁 ，首先会去尝试加锁，不管前面是否有线程等待（如果是公平锁的话就会判断是否有线程等待，有的话则直接入队睡眠），如果加锁失败，synchronized还会采用自旋的方式去获取锁，JDK1.6之前是默认自旋10次后睡眠，而优化之后引入了 适应性自旋 ，即JVM会根据各种情况动态改变自旋次数：
- 如果平均负载小于CPU则一直自旋
- 如果有超过(CPU/2)个线程正在自旋，则后来线程直接阻塞
- 如果正在自旋的线程发现Owner发生了变化则延迟自旋时间（自旋计数）或进入阻塞
- 如果CPU处于节电模式则停止自旋
- 自旋时间的最坏情况是CPU的存储延迟（CPU A存储了一个数据，到CPU B得知这个数据直接的时间差）
- 自旋时会适当放弃线程优先级之间的差异
你可能会比较好奇为什么不一直采用自旋，因为自旋是会消耗CPU的，适合并发数不多或自旋次数少的情形，否则不如直接调用系统函数进入睡眠状态。
所以当自旋没有获取到锁，则会将当前线程添加到cxq队列的队首（注意在入队后还会抢一次锁，这就是非公平锁的特点，尽可能的避免调用系统函数进入内核态阻塞）并调用park函数睡眠。
park函数是基于 pthread_mutex_lock 函数实现的，而Java中的LockSupport.park则是基于 pthread_cond_timedwait 函数，这两个都是 系统函数 ，更底层则是通过 futex 实现（注意此处都是基于Linux系统讨论，其它不同的操作系统有不同的实现方式），这里就不展开讨论了。
需要注意线程一旦进入队列后，执行的顺序就是固定了，因为在当前持有锁的线程释放锁后，会从队列中唤醒 最后入队 的线程，即 一朝排队，永远排队 ，所以 公平锁 和 非公平锁 的区别就体现在入队前是否抢锁（排除有新的线程来抢锁的情况）。
所谓唤醒最后入队的线程，其实就类似于栈， 先睡眠的线程后唤醒 ，这点和ReentratLock是相反的，下面给出证明：
public class Demo2 {
private static Demo2 lock = new Demo2();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread[] threads = new Thread[10];
for (int i = 0; i < 10; i++) {
threads[i] = new Thread(() -> {
synchronized (lock) {
log.info(Thread.currentThread().getName());
}
});
}
synchronized (lock) {
for (Thread thread : threads) {
thread.start();
// 睡眠一下保证线程的启动顺序
Thread.sleep(100);
}
}
}
}
上面程序创建了10个线程，然后主线程拿到锁后依次启动10个线程，这10个线程内又会分别去获取锁，因为被主线程占有，就会膨胀为重量锁进入阻塞，最终打印结果如下：
16:25:49.877 [Thread-9] INFO cn.dark.mydemo.sync.Demo2 - Thread-9 16:25:49.879 [Thread-8] INFO cn.dark.mydemo.sync.Demo2 - Thread-8 16:25:49.879 [Thread-7] INFO cn.dark.mydemo.sync.Demo2 - Thread-7 16:25:49.879 [Thread-6] INFO cn.dark.mydemo.sync.Demo2 - Thread-6 16:25:49.879 [Thread-5] INFO cn.dark.mydemo.sync.Demo2 - Thread-5 16:25:49.879 [Thread-4] INFO cn.dark.mydemo.sync.Demo2 - Thread-4 16:25:49.879 [Thread-3] INFO cn.dark.mydemo.sync.Demo2 - Thread-3 16:25:49.879 [Thread-2] INFO cn.dark.mydemo.sync.Demo2 - Thread-2 16:25:49.879 [Thread-1] INFO cn.dark.mydemo.sync.Demo2 - Thread-1 16:25:49.879 [Thread-0] INFO cn.dark.mydemo.sync.Demo2 - Thread-0
可以看到10个线程并不是按照启动顺序执行的，而是以相反的顺序被唤醒并执行。
以上就是Synchronized的膨胀过程以及底层的一些实现原理，最后我画了一张synchronized锁膨胀过程的图帮助理解，有不对的地方欢迎指出：
总结
通过两篇文章分析了synchronized的实现原理，可以看到要实现一把高性能的锁是相当复杂的，这也是为什么JDK1.6才对synchronized进行了优化（大概也是迫于ReentratLock的压力吧），优化过后性能基本上和ReentrantLock差不多，只不过后者使用上更加灵活，支持更多的高级特性，但思想上其实都是一样的（应该都是借鉴了futex的实现原理）。
深刻理解synchronized的膨胀过程，不仅仅用于应付面试，而是能够更好的使用它进行并发编程，比如何时加锁，何时使用无锁的自旋锁。另外在进行业务开发遇到类似场景时也可以借鉴其思想。
本篇文章参考了以下文章，最后在此表示感谢，让我少走了很多弯路，也了解了很多底层知识。
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