Java同步關鍵字synchronize底層實現原理解析
javap 生成的字節碼中包含如下指令：
monitorenter monitorexitsynchronized基此實現了簡單直接的鎖的獲取和釋放。
當JVM的解釋器執行monitorenter時會進入到InterpreterRuntime.cpp的
1.1 InterpreterRuntime::monitorenter1.1.1 函數參數 JavaThread *thread封裝 Java線程 幀狀態的與機器/操作系統相關的部分的對象，這里傳參代表程序中的當前線程BasicObjectLock *elem
BasicLock 類型的 _lock 對象主要用來保存 _obj 對象的對象頭數據：
UseBiasedLocking 標識JVM是否開啟偏向鎖功能
如果開啟則執行fast_enter邏輯 否則執行slow_enter 2 偏向鎖 2.1 偏向鎖的意義無多線程競爭時，盡量減少不必要的輕量級鎖執行路徑。
輕量級鎖的獲取及釋放依賴多次的CAS操作，而偏向鎖只依賴一次CAS置換ThreadID。
當存在高度的鎖競爭和低數據競爭時，RTM 鎖最有用。高鎖爭用情況下，鎖通常會膨脹，而偏向鎖不適于這種情況。RTM 鎖代碼要求關閉偏向鎖。
注意：我們不能在 get_processor_features() 中關閉 UseBiasedLocking，因為它被 Thread::allocate() 使用，它在 VM_Version::initialize() 之前調用。
if (UseRTMLocking && UseBiasedLocking) { if (FLAG_IS_DEFAULT(UseBiasedLocking)) { FLAG_SET_DEFAULT(UseBiasedLocking, false); } else { warning('Biased locking is not supported with RTM locking; ignoring UseBiasedLocking flag.' ); UseBiasedLocking = false; }}
一旦出現多個線程競爭時必須撤銷偏向鎖，所以：
撤銷偏向鎖消耗的性能必須 ＜ 之前節省下來的CAS原子操作的性能消耗
不然得不償失!
JDK 6中默認開啟偏向鎖，可以通過-XX:-UseBiasedLocking禁用偏向鎖。
偏向鎖的入口位于synchronizer.cpp文件的ObjectSynchronizer::fast_enter函數
由BiasedLocking::revoke_and_rebias方法實現
獲取對象的markOop數據mark，即對象頭的Mark Word
如果為空，則進入步驟（4）；如果指向當前線程，則執行同步代碼塊；如果指向其它線程，進入步驟（5）；
2.2.4 通過CAS原子指令設置mark中JavaThread為當前線程ID，如果執行CAS成功，則執行同步代碼塊，否則進入步驟（5）；
2.2.5 如果執行CAS失敗表示當前存在多個線程競爭鎖，當達到全局安全點（safepoint），獲得偏向鎖的線程被掛起，撤銷偏向鎖，并升級為輕量級，升級完成后被阻塞在安全點的線程繼續執行同步代碼塊；
2.3 偏向鎖的撤銷只有當其它線程嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的線程才會釋放鎖，偏向鎖的撤銷由BiasedLocking::revoke_at_safepoint方法實現：
1、偏向鎖的撤銷動作必須等待全局安全點；2、暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對象是否處于被鎖定狀態；3、撤銷偏向鎖，恢復到無鎖（標志位為 01）或輕量級鎖（標志位為 00）的狀態；
偏向鎖在Java 1.6之后是默認啟用的，但在應用程序啟動幾秒鐘之后才激活，可以使用-XX:BiasedLockingStartupDelay=0參數關閉延遲，如果確定應用程序中所有鎖通常情況下處于競爭狀態，可以通過XX:-UseBiasedLocking=false參數關閉偏向鎖。
2.4 輕量級鎖2.4.1 引入輕量級鎖的目的在多線程交替執行同步塊的情況下，盡量避免重量級鎖引起的性能消耗，但是如果多個線程在同一時刻進入臨界區，會導致輕量級鎖膨脹升級重量級鎖，所以輕量級鎖的出現并非是要替代重量級鎖
2.4.2 輕量級鎖的獲取當關閉偏向鎖功能，或多個線程競爭偏向鎖導致偏向鎖升級為輕量級鎖，會嘗試獲取輕量級鎖，其入口位于ObjectSynchronizer::slow_enter
1、markOop mark = obj->mark()方法獲取對象的markOop數據mark；2、mark->is_neutral()方法判斷mark是否為無鎖狀態：mark的偏向鎖標志位為 0，鎖標志位為 01；3、如果mark處于無鎖狀態，則進入步驟（4），否則執行步驟（6）；4、把mark保存到BasicLock對象的_displaced_header字段；5、通過CAS嘗試將Mark Word更新為指向BasicLock對象的指針，如果更新成功，表示競爭到鎖，則執行同步代碼，否則執行步驟（6）；6、如果當前mark處于加鎖狀態，且mark中的ptr指針指向當前線程的棧幀，則執行同步代碼，否則說明有多個線程競爭輕量級鎖，輕量級鎖需要膨脹升級為重量級鎖；
假設線程A和B同時執行到臨界區if (mark->is_neutral())：1、線程AB都把Mark Word復制到各自的_displaced_header字段，該數據保存在線程的棧幀上，是線程私有的；2、Atomic::cmpxchg_ptr原子操作保證只有一個線程可以把指向棧幀的指針復制到Mark Word，假設此時線程A執行成功，并返回繼續執行同步代碼塊；3、線程B執行失敗，退出臨界區，通過ObjectSynchronizer::inflate方法開始膨脹鎖；
輕量級鎖的釋放
輕量級鎖的釋放通過ObjectSynchronizer::fast_exit完成。
1、確保處于偏向鎖狀態時不會執行這段邏輯；2、取出在獲取輕量級鎖時保存在BasicLock對象的mark數據dhw；3、通過CAS嘗試把dhw替換到當前的Mark Word，如果CAS成功，說明成功的釋放了鎖，否則執行步驟（4）；4、如果CAS失敗，說明有其它線程在嘗試獲取該鎖，這時需要將該鎖升級為重量級鎖，并釋放；
重量級鎖
重量級鎖通過對象內部的監視器（monitor）實現，其中monitor的本質是依賴于底層操作系統的Mutex Lock實現，操作系統實現線程之間的切換需要從用戶態到內核態的切換，切換成本非常高。
鎖膨脹過程
鎖的膨脹過程通過ObjectSynchronizer::inflate函數實現
膨脹過程的實現比較復雜，截圖中只是一小部分邏輯，完整的方法可以查看synchronized.cpp，大概實現過程如下：1、整個膨脹過程在自旋下完成；2、mark->has_monitor()方法判斷當前是否為重量級鎖，即Mark Word的鎖標識位為 10，如果當前狀態為重量級鎖，執行步驟（3），否則執行步驟（4）；3、mark->monitor()方法獲取指向ObjectMonitor的指針，并返回，說明膨脹過程已經完成；4、如果當前鎖處于膨脹中，說明該鎖正在被其它線程執行膨脹操作，則當前線程就進行自旋等待鎖膨脹完成，這里需要注意一點，雖然是自旋操作，但不會一直占用cpu資源，每隔一段時間會通過os::NakedYield方法放棄cpu資源，或通過park方法掛起；如果其他線程完成鎖的膨脹操作，則退出自旋并返回；5、如果當前是輕量級鎖狀態，即鎖標識位為 00，膨脹過程如下：
1、通過omAlloc方法，獲取一個可用的ObjectMonitor monitor，并重置monitor數據；2、通過CAS嘗試將Mark Word設置為markOopDesc:INFLATING，標識當前鎖正在膨脹中，如果CAS失敗，說明同一時刻其它線程已經將Mark Word設置為markOopDesc:INFLATING，當前線程進行自旋等待膨脹完成；3、如果CAS成功，設置monitor的各個字段：_header、_owner和_object等，并返回；
monitor競爭
當鎖膨脹完成并返回對應的monitor時，并不表示該線程競爭到了鎖，真正的鎖競爭發生在ObjectMonitor::enter方法中。
1、通過CAS嘗試把monitor的_owner字段設置為當前線程；2、如果設置之前的_owner指向當前線程，說明當前線程再次進入monitor，即重入鎖，執行_recursions ++ ，記錄重入的次數；3、如果之前的_owner指向的地址在當前線程中，這種描述有點拗口，換一種說法：之前_owner指向的BasicLock在當前線程棧上，說明當前線程是第一次進入該monitor，設置_recursions為1，_owner為當前線程，該線程成功獲得鎖并返回；4、如果獲取鎖失敗，則等待鎖的釋放；
monitor等待
monitor競爭失敗的線程，通過自旋執行ObjectMonitor::EnterI方法等待鎖的釋放，EnterI方法的部分邏輯實現如下：
1、當前線程被封裝成ObjectWaiter對象node，狀態設置成ObjectWaiter::TS_CXQ；2、在for循環中，通過CAS把node節點push到_cxq列表中，同一時刻可能有多個線程把自己的node節點push到_cxq列表中；3、node節點push到_cxq列表之后，通過自旋嘗試獲取鎖，如果還是沒有獲取到鎖，則通過park將當前線程掛起，等待被喚醒，實現如下：
4、當該線程被喚醒時，會從掛起的點繼續執行，通過ObjectMonitor::TryLock嘗試獲取鎖，TryLock方法實現如下：
其本質就是通過CAS設置monitor的_owner字段為當前線程，如果CAS成功，則表示該線程獲取了鎖，跳出自旋操作，執行同步代碼，否則繼續被掛起；
monitor釋放
當某個持有鎖的線程執行完同步代碼塊時，會進行鎖的釋放，給其它線程機會執行同步代碼，在HotSpot中，通過退出monitor的方式實現鎖的釋放，并通知被阻塞的線程，具體實現位于ObjectMonitor::exit方法中。
1、如果是重量級鎖的釋放，monitor中的_owner指向當前線程，即THREAD == _owner；2、根據不同的策略（由QMode指定），從cxq或EntryList中獲取頭節點，通過ObjectMonitor::ExitEpilog方法喚醒該節點封裝的線程，喚醒操作最終由unpark完成，實現如下：
void ObjectMonitor::ExitEpilog(Thread * Self, ObjectWaiter * Wakee) { assert(_owner == Self, 'invariant'); // Exit protocol: // 1. ST _succ = wakee // 2. membar #loadstore|#storestore; // 2. ST _owner = NULL // 3. unpark(wakee) _succ = Wakee->_thread; ParkEvent * Trigger = Wakee->_event; // Hygiene -- once we’ve set _owner = NULL we can’t safely dereference Wakee again. // The thread associated with Wakee may have grabbed the lock and 'Wakee' may be // out-of-scope (non-extant). Wakee = NULL; // Drop the lock OrderAccess::release_store(&_owner, (void*)NULL); OrderAccess::fence(); // ST _owner vs LD in unpark() DTRACE_MONITOR_PROBE(contended__exit, this, object(), Self); Trigger->unpark(); // Maintain stats and report events to JVMTI OM_PERFDATA_OP(Parks, inc());}
3、被喚醒的線程，繼續執行monitor的競爭；
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