在學習鎖優化時，對象頭(Mark Word) 是必不可缺的一環，因為synchronized 用的鎖是存在對象頭里的。32位的虛擬機上對象頭占64位（8字節），64位的虛擬機上對象頭占128位(16字節）[^objectHead]；而不同的類型，對象頭的布局不太一樣：

• 數組類型：Mark Word、Class Metadata Address、Array Length
• 普通類型：Mark Word、Class Metadata Address

Mark Word 表示對象的HashCode 或 鎖信息
Class Metadata Address 表示對象的數據類型在方法區對應的地址
Array Length 表示數組的長度（只在對象是數組的情況下才會存在）

對象頭的默認表示應該如下所示

鎖狀態25bit4bit1bit是否是偏向鎖2bit 鎖標志位

無狀態鎖	對象的hashcode	對象分代年齡	0	01

具體的對象內存布局看這篇文章

而根據JVM的設置¹，具體分配時又會有不同的情況，如下所示

當關閉了偏向鎖的設置，那么就會走左邊的流程；反之則走右邊的流程。

偏向鎖

由于大多數情況下，鎖大多都不處于多線程競爭狀態，而且總是由同一個線程獲取，所以JVM在1.6之后加入了偏向鎖 和 輕量鎖 ，如今總共由4種鎖狀態：無狀態鎖、偏向鎖、輕量鎖、重量鎖。隨著線程競爭的提升，鎖會逐漸升級（無法降級）。
偏向鎖在沒有競爭的情況下可以提高同步的性能，這方面主要體現在偏向鎖只需要進行一次CAS而輕量鎖需要兩次。它是一個需要權衡利弊的選擇，它不是在任何情況下都對程序有利的。如果競爭很多，那么撤銷偏向鎖的過程就會成為性能瓶頸。

當偏向鎖可用時，初始化的對象頭分配如下所示

鎖狀態23bit2bit4bit1bit 是否是偏向鎖2bit 鎖標志位

偏向鎖	線程ID	epoch	對象分代年齡	1	01

加鎖過程

當對象頭的isBiased 為1時且鎖狀態為01時，偏向鎖可用，繼續后面的流程

判斷目標對象頭是否包含本線程ID，如果沒有，則直接CAS往對象頭里寫入本線程ID。到這一步加鎖就結束了

鎖撤銷

由于偏向鎖使用了一種直到競爭發生時才會釋放的機制，所以當其他線程競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的線程才會去釋放鎖。

等待原持有偏向鎖的線程(后文簡稱原線程)運行至全局安全點(safe point)

暫停原線程

檢查原線程 的線程狀態，如果退出了同步代碼塊，則重偏向；反之升級為輕量鎖

恢復原線程

輕量鎖

加鎖過程

注意：輕量鎖會一直保持，喚醒總是發生在輕量鎖解鎖的時候，因為加鎖的時候已經成功CAS操作；而CAS失敗的線程，會立即鎖膨脹，并阻塞等待喚醒。

第一次進入同步塊，開辟一個叫做Lock Record 的空間用于存儲鎖記錄

將對象頭中的Mark Word 復制到 當前線程棧中

嘗試用CAS將Mark Word 替換為 指向Lock Record的指針

第三步操作成功，則將Mark Word 設置為00狀態，標識輕量鎖

然后執行同步體

第三部操作失敗，進入自旋獲取鎖

自旋獲取鎖的失敗次數到達閾值，膨脹鎖，修改為重量級鎖（狀態改為10）

線程阻塞

鎖釋放過程

嘗試CAS將Lock Record的Owner 復制回 Mark Word

如果CAS操作成功，則表示沒有競爭發生；否則看步驟3

釋放鎖并喚醒等待的線程

總結

本章是對synchronized 在JVM里的各種等級及升級的流程進行了講解，其中主要是通過控制對象頭的一些狀態來控制鎖的等級。偏向鎖通過標記Thread ID 來表示，當前對象已經被對應線程占用；輕量鎖則替換Mark Word 為 Lock Record 地址 來表示當前對象被對應線程占用。無論是哪種鎖，在不同的場景下有不同的需求，可以參考以下表格做出選擇

偏向鎖：

• 優點：加鎖和解鎖不需要額外消耗，和執行非同步方法相比，僅存在納秒級的差距
• 缺點：如果線程間存在競爭，會帶來額外開銷（偏向鎖的撤銷）
• 適用場景： 適用于只有一個線程訪問同步塊的場景

輕量鎖：

• 優點： 競爭的線程不會造成阻塞，提高了程序的響應速度
• 缺點： 如果始終得不到鎖，使用自旋會消耗CPU
• 適用場景： 追求相應實踐，同步塊執行速度非常快

重量鎖：

• 優點： 線程競爭不使用自選，不會消耗CPU
• 缺點： 線程阻塞，響應時間緩慢
• 適用場景： 追求吞吐量，同步塊執行速度較慢

這個是網上找到的關于鎖撤銷、膨脹等操作的總流程

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關于偏向鎖的相關JVM設置:-XXBiasedLockingStartupDelay=0表示啟動程序幾秒鐘后激活偏向鎖-XXUseBiasedLocking=false表示關閉偏向鎖（確定會發生競爭時可以這么設置）?

轉載于:https://www.cnblogs.com/codeleven/p/10963092.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的《Java并发编程的艺术》之synchronized的底层实现原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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