Synchronized关键字的底层原理

Synchronized实现

Synchronized创建的时候一个互斥的对象锁，每次只有一个线程可以获取该锁。

其底层主要是基于Monitor实现的，在对象的对象头中存储了MarkWord存储的就是Monitor的地址。

 对象的内存结构

对象在内存中存储主要分为三个部分：对象头，实例数据，对齐填充。 

对象头：MarkWord用于存储锁的信息，Klass Word用于存储对象的类型。

• 无锁状态：hashcode（25位）+ 对象分代年龄（4位，不是重点）+ 偏向锁标识（1位）+ 锁标识（2位）
• 偏向锁：thread（23位，线程id）+ 偏向时间戳（2位，不是重点）+ 偏向锁标识（1位）+ 锁标识（2位）
• 轻量级锁：对应线程的栈中指向锁记录的指针。（30位）
• 重量级锁：对应monitor的地址。（30位）

实例数据：用于存储对象中成员变量的信息。 

对齐填充：不是重点，主要是为了保证长度是8的整数倍。

Monitor（重量级锁）

其中包括三个部分：waitSet，entryList，owner。

owner：存储当前获得锁的线程的id。

enrtyList：存储没有获取到锁的线程id的集合，这些线程处于堵塞状态。

waitList：存储处于等待的线程的集合，通常这些线程调用了wait方法。

当线程要获取锁的时候会先去owner判断是否有线程存在，如果没有的话，直接获取锁并将线程id写入owner，反之写入entryList。

轻量级锁

重量级锁主要使用在线程竞争的时候，且重量级锁涉及进程的上下文切换，效率比较低下，在没有线程竞争且不同线程交替执行的时候，推荐使用轻量级锁。

上锁

在线程栈中创建一个锁记录，锁记录中包含 锁记录地址和指向对象的指针两个部分。通过CAS指令将锁记录地址和MarkWord中的地址进行交换。

1.如果对象处于无锁状态则说明获取锁成功，且获取的是轻量级锁。

2.如果对象已经有锁了，这此时就是锁的重入，会继续创建锁记录，且也会进行做CAS指令，但是

 记录锁的地址为null。起到锁重入计数效果。

3.如果CAS指令失败了，则会直接使用重量级锁。

解锁

1.遍历线程栈，找到对象指针指向锁对象的锁记录。

2.如果锁记录中的MarkWord的值为null，说明这是一次锁重入操作，直接将锁记录中的指向对象的地址设置为null。

3.如果锁记录中的MarkWord的值不为null，我们就通过CAS指令将锁对象中的MarkWord恢复成无锁状态。

偏向锁

类是轻量级锁，但是在做锁的重入的时候不会使用CAS指令，而是直接判断thread的id是否相同，相同就表示没有竞争。减少了CAS指令操作。适合使用在长时间只有一个线程使用锁。

所有锁一但发生了冲突都会变成重量级锁。 

三种锁的使用场景