synchronized的锁膨胀

初识

synchronized 可以加在方法和类上面，作用于类和对象。下面代码中列出了 synchronized 的用法。

public class SynchronizedTest {

    public static final Object lock = new Object();

    // 锁的是SynchronizedTest.class对象
    public static synchronized void sync1() {

    }

    // 锁的是SynchronizedTest.class对象
    public static void sync2() {
        synchronized (SynchronizedTest.class) {

        }
    }

    // 锁的是当前实例this
    public synchronized void sync3() {

    }

    // 锁的是当前实例this
    public void sync4() {
        synchronized (this) {

        }
    }

    // 锁的是指定对象lock
    public void sync5() {
        synchronized (lock) {

        }
    }
}

synchronized 大家都知道是用 monitorenter 和 monitorexit 两个指令锁住同步块的。

那么 synchronized 是怎么膨胀的呢？为什么会膨胀呢？

先从 JVM 内存开始讲起，对象在被实例化后，是存放在堆内存中的，它由 3 部分组成：

1. 对象头：存放对象运行时的状态的信息、指向该对象所属 Class 的元数据的指针。
2. 实例数据：存放对象的属性数据信息，包括父类的信息。
3. 对齐填充字节：由于虚拟机要求对象的大小必须是 8 字节的整数倍。不是必须存在，仅仅是为了字节对齐。

其中对象头里面包含了 Mark Word（标记字段）和 Class Pointer（类型指针）

1. Mark Word 默认的存储对象的 hashcode、分代年龄、是否偏向锁、锁标识位的信息，它在运行期间的存储内容会随着锁的变化而变化。

Mark Word (32 bits)	是否偏向锁	锁标识位值	锁状态
对象的hashcode(25)、分代年龄(4)、是否偏向锁(1)、锁标识位(2)	0	01	无锁
线程ID(23)、偏向时间戳(2)、分代年龄(4)、是否偏向锁(1)、锁标识位(2)	1	01	偏向锁
指向栈中锁记录的指针(30)、锁标识位(2)		00	轻量级锁
指向重量级锁的指针(30)、锁标识位(2)		10	重量级锁

2. Class Pointer（类型指针）:对象指向类的元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定对象是哪一个类的实例。

锁膨胀

偏向锁、轻量级锁、重量级锁、自旋锁，这些都是Synchronzied的锁的实现。Synchrozied会根据不同的场景选择不同的锁，我们只使用Synchronzied，不用关心它具体使用的哪个锁。

偏向锁

在java 程序中，大多数情况不存在多个线程同时竞争锁，往往都是同一个线程多次获得同一个锁。

当只有一个线程在竞争锁的时候，在线程获取到锁后，将进入偏向模式，程序会将对象的头的前 23 个字节用 CAS 的方式存储线程 ID。下次有线程竞争锁，只需要比较对象头中的线程 ID 是不是和此时获取到锁的线程 ID 相同。如果相同线程就直接进入同步代码块，不需要 CAS 竞争锁。

有另外的线程在竞争锁的时候，持有偏向锁的线程才会释放锁，持有偏向锁的线程不会主动释放偏向锁。偏向锁的撤销，是在没有字节码执行的时候进行的。首先会暂停偏向锁的线程，判断锁对象是否被锁住。撤销偏向锁后恢复成无锁或者是轻量级锁。

轻量级锁

当有另外的线程在竞争偏向锁的时候并且竞争失败了，偏向锁就会膨胀为轻量级锁，其他的线程会通过自旋的方式尝试获取锁。

JVM 会在当前线程的栈帧中创建一个叫做锁记录（Lock Record）的空间，将锁对象的 Mark Word 复制进去。这个官方称为 Displaced Mard Word。然后 JVM 将使用 CAS 操作尝试将锁对象的Mark Word 更新为指向 Lock Record 的指针。如果更新成功，锁标识位就成为 00，此时为轻量级锁。

重量级锁

从上面的表格中就指出重量级锁的对象头里面存储的是指向 monitor 的指针，那 monitor 是什么呢？

monitor 又称为管程，Java 中由 ObjectMonitor 实现。当线程要将对象加锁的时候，对象会创建一个monitor。

ObjectMonitor 主要的字段有：

1. owner：就是当前加锁的线程
2. waitSet：就是 owner的线程调用了 wait() 方法，就进入这个里面
3. entryList：加锁失败的线程阻塞在这个里面
4. recursions：锁的重入次数
5. count：用来记录是不是有对象加锁：0.当前对象没有线程加锁，1. 当前对象有线程加锁

从轻量级锁升级到重量级锁的时候，对象头 Mark Word 存储已经变成了指向 Monitor 的指针。线程可以通过这个指针找到 ObjectMonitor，放入 entryList 等待重量级锁释放后竞争。entryList 中的线程 CAS 尝试更新 count = 1，当更新成功后将 owner 设置为当前的线程。当 owner 的线程调用了 wait() 方法，线程就会释放锁，进入 waitSet 中。这个时候 count = 1，owner = null，entryList 的线程可以再次竞争锁。

总结

1. synchronized 不管是加在类上还是方法上，如果作用在类上，这个类的所有对象都是同一把锁，
2. 锁膨胀时不可以降级的