Synchronized在JDK1.6中的优化

1.适应性自旋锁

首先什么是自旋锁？有时候线程去竞争锁失败，进入了阻塞状态，但刚刚进入阻塞状态后持有锁的线程就释放了锁资源，这个时候线程又会被唤醒继续执行，考虑到这种情况，jdk1.4中引入了自旋锁的概念，就是在sychronized同步代码块中，如果线程没有竞争到锁，则让它先进行一段无意义的自旋，避免线程直接进入阻塞状态，自旋结束后如果持有锁的线程已释放锁，则当前线程可直接开始执行。显然，这样处理会有个坏处，如果每一次线程未竞争到锁都进行一段时间的自旋，且每一次自旋结束后都依然没有获取到锁，那么自旋的操作就白白浪费了cpu的性能。在jdk1.4引入自旋锁的时候我们可以通过jvm启动参数-XX:+UseSpinning开启自旋锁，使用-XX:PreBlockSpin设置自旋锁的等待次数，而jdk1.6引入适应性自旋锁后，自旋锁机制变得更加"聪明"，它可以动态的调整每一次自旋的时间，调整的依据就是上一个获取到锁的线程获取锁用了多少时间，如果用时较短，它就认为这个锁比较容易获取，那就适当的延长自旋的时间以等待这个锁的释放，如果用时较长，则缩短当前线程自旋的时间或者不自旋直接进入阻塞状态，以避免长时间自旋后依然无法获取锁的情况。

2.锁消除

锁消除简单来说，就是在不可能出现锁资源的竞争，不需要加锁的情况下，如果我们使用了synchronized锁，则jvm会在编译的时候直接将这个锁消除，以减少锁的操作，提升代码的执行效率。jvm判断这个方法是否线程安全，是否不可能出现锁资源竞争的时候，会进行逃逸分析，所以锁消除有两个前提，1.该程序必须以server模式运行 2.必须开启逃逸分析和锁消除(通过jvm启动参数设置，-XX:+DoEscapeAnalysis表示开启逃逸分析，-XX:+EliminateLocks表示锁消除)

3.锁粗化

一般在加锁的时候，都会让锁的粒度足够小，尽量在synchronized同步代码块中只包含真正需要加锁的代码，以减少锁占用的时间，提高代码执行性能。但有时候，一味的减小锁的粒度，会增加竞争锁的次数，同一个线程会频繁获取同一个锁，出现这种情况时，sychronized会自动帮我们提升锁的粒度，减少竞争锁的次数，如下，以极端情况举例：

锁粗化前：

public void test(){for (int i=0;i<10;i++){synchronized (this){count++;}}
}

锁粗化后：

public void test() {synchronized (this) {for (int i = 0; i < 10; i++) {count++;}}
}

4.偏向锁和轻量级锁

锁的分类

jdk1.6之后，synchronized有偏向锁、轻量级锁、重量级锁三种锁机制。synchronized有一个特点，就是使用synchronized同步代码块或synchronized方法时，所有的对象都可以作为锁对象，用synchronized修饰的方法，锁对象为当前类的实例对象；synchronized修饰的静态方法，锁对象为当前类的class对象。那既然所有对象都能作为synchronized的锁，那储存对象的锁信息（当前对象的锁状态，被哪个线程持有锁，有哪些线程在等待锁等）最好的方式就是将其存储在对象的对象头中。

对象头

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中的分布可分为三个部分：1.对象头 2.实例信息 3.数据填充。其中对象头又分为Mark Word和类型指针两部分，Mark Word用于存储对象自身的运行时数据，如：GC分代年龄、hashcode、数组长度(如果该对象为数组)、锁状态标志、是否偏向、偏向线程id等等。类型指针部分则存储该对象指向其类的元数据的指针。

Mark Word的存储特点

在32位和64位的系统中，对象头的Mark Word分别占用32个和64个bitmap，为了尽可能多的存储对象运行时的数据，Mark Word被设计成了可根据锁状态动态分配各部分存储空间大小的数据结构，见下图

几种锁的状态

1.无锁状态

当对象为无锁状态时，Mark Word主要存储对象的hashcode、分代年龄等信息，如果对象为数组类型，则还会存储该数组的长度。这就是为什么通过类的元数据可以直接获取对象的大小，但通过类的元数据不能获取数组的长度。

2.偏向锁

当线程进入synchronized同步代码块或同步方法时，如果对象锁的对象头中保存的偏向锁线程id为0，则该对象会在Mark Word中以CAS的方式保存当前线程的线程id。如果有另一个线程id来竞争这个对象锁，则升级为轻量级锁

适用场景：很多函数（特别是第三方包提供的）虽然在设计时考虑了并发的情况，做了线程安全的控制，但在实际使用场景中，或许根本就只有一条线程在调用，这种情况就可以使用偏向锁，将使用这个锁的线程id记录，避免同一条线程频繁的竞争和释放同一个锁而带来性能开销。而一旦出现另一条线程来获取锁，说明这个锁对象是存在锁资源竞争的，则将该对象的锁状态升级为轻量锁。

3.轻量级锁

当对象的锁状态为轻量级锁时，MarkWord区记录的是“指向栈中锁记录的指针”，这个指针指向的是当前持有锁的线程的栈空间中的一个栈帧，这个栈帧叫做lock record，如下图所示，lock record分为两部分，一部分复制保存锁对象的mark word，一部分保存锁对象的地址。

当线程第一次进入同步代码块时，会在当前线程的栈空间中生成一个lock record，将锁对象的mark word区保存的对象头信息保存下来，并且记录锁对象的地址，然后通过CAS的方式将lock record的地址记录到锁对象的markword，解锁时也是通过CAS的方式将lock record中记录的锁对象的hashcode、分代年龄等信息记录到锁对象的markword区，并将锁标志改为无锁状态。无论加锁还是解锁的CAS操作如果操作失败，则将锁升级为重量级锁。

适用场景：很多情况下，我们会尽量让锁的粒度足够小，以较少锁占用的时间，所以在并发量不大时，同步块中的代码其实是各个线程交替执行而并不会发生锁竞争的，这种时候就应该使用轻量级锁，加锁和解锁都使用CAS操作，不会涉及线程上下文的切换、用户态和内核态的切换。而出现锁竞争的情况时，就升级为重量级锁。

总结：

偏向锁适用于只有一条线程访问同步块，轻量级锁适用于多条线程交替访问同步块，重量级锁适用于多条线程同时访问同步块。