synchronized 锁优化原理

一、轻量级锁

二、锁膨胀

三、自旋优化

四、偏向锁

五、锁消除

一、轻量级锁

1. 会创建一个锁记录 Lock Record（保存在线程栈中），尝试 CAS 修改 Mark Word 中的对象头，是一种乐观锁的思想，而不是将 Java 对象与操作系统的 Monitor 对象关联起来（重量级锁）

2. CAS 修改

mark word 最后两位是 01 表示无锁，最后两位是 00 表示有锁，加锁失败
也有可能是锁的重入（判断对象头的锁记录地址是不是自己），如果是自己执行锁重入，那么再添加一条锁记录 Lock Record 作为锁重入的记录（重入时，锁记录为 null；非重入锁，锁记录是对象头 Mark Word 的值），解锁的时候就是解一次锁去掉一条锁记录，要等栈帧中的所有锁记录被去除才是真的释放了锁

二、锁膨胀

如果在尝试 CAS 替换锁对象的对象头 Mark Word 和锁记录时，替换失败，有种情况就是其他线程对该对象加上了轻量级锁（有竞争），此时就会发生锁膨胀，将轻量级锁升级为重量级锁

加轻量级锁失败，申请 Monitor 锁，让 Object 指向 Monitor，建立 Java 对象和 Monitor 的关联，将 mark word 最后两位变为 10，表示重量级锁
加锁（轻量级锁）失败的线程，加入 Monitor 的阻塞队列
解锁：Thread-0（获取轻量级锁成功的）通过 CAS 将 Mark Word 的值恢复给对象头，由于对象头已经变成了 Monitor 的地址，所以恢复失败，接下来就会走重量级锁的解锁流程，先到 Monitor 中清空 Owner，到阻塞队列唤醒 Thread-1，恢复 Mark Word

三、自旋优化

重量级锁竞争时，线程可以通过自旋来优化，原来需要加入阻塞队列（上下文切换），开销较大，自旋可以重试访问重新判断锁是否可用，自旋成功（在自旋过程中，持有锁的线程退出了同步代码块，释放锁）避免阻塞

自旋会一直消耗 CPU，适用于多核的情况（单核在执行持有锁的线程的任务，自旋线程会被阻塞，没有意义）
问题：可以间隔一段时间再重试吗❓
自旋失败：重试一定次数还是失败就加入阻塞队列
Java 6 之后的自旋锁是自适应的，JVM 底层会根据最近自旋是否成功来判断自旋的次数，最近成功了说明成功概率比较大，就多自旋几次；最近失败了就少重试几次或者不重试；Java 7 之后不能控制是否开启自旋锁，都是由底层来控制是否开启的

四、偏向锁 ‼️

轻量级锁在没有发生竞争时，同一个线程需要重入锁，也需要进行多次 CAS 操作，影响性能

Java 6 中引入的偏向锁来做进一步优化：第一次进行 CAS 操作时，将线程 ID 设置到对象头 Mark Word 中，之后需要重入锁，只需要判断对象头的 ID 是不是自己，不需要进行 CAS 操作

之后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有（问题：如何判断是否发生锁竞争❓锁竞争会将轻量级锁升级为重量级锁，对象头的 Mark Word 会指向 Monitor，释放锁的时候 CAS 失败）

1. 创建对象：如果开启了偏向锁（默认开启），mark word 最后三位是 101，此时 thread、epoch、age 都是 0，但是偏向锁默认是有延迟的，在程序刚启动时不会生效，如果想避免延迟立即生效可以加 JVM 参数；没有开启偏向锁，mark word 最后三位是 001，此时 hashcode、age 都是 0，在第一次用到 hashcode 时才会赋值

问题：创建对象时 101 的意思是已经加了偏向锁还是表示可以加偏向锁❓

2. 加锁：给对象头设置线程 id

3. 释放锁：线程 id 还是保持上一个线程，除非发生锁竞争，这就是偏向锁名字的来由，偏向同一个线程，当该线程再次请求时就不需要再进行复杂的加锁操作

4. 适用场景：单线程多次使用，不适合有多个线程来竞争这把锁的场景，如果知道可能会有冲突，可以通过加 JVM 参数禁用偏向锁，让对象刚创建时是 Normal 正常状态，加锁时后两位是 00（轻量级锁）

5. 加锁顺序：偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁

6. 撤销

⚠️ 注意：调用了 hashcode() 之后就会禁用 / 撤销偏向锁，因为调用 hashcode() 会给 mark word 赋值哈希码，mark word 的大小不够存放线程 id 了，本来可偏向的状态就会被撤销，由 101 变成 001；但是轻量级锁和重量级锁不会有这个问题，因为轻量级锁调用 hashcode() 之后会将哈希码存到锁记录里，重量级锁会存到 monitor 里，解锁时还会还原
释放锁之后其他线程要使用锁：撤销偏向状态（101 -> 001，由可偏向改为不可偏向），将偏向锁升级为轻量级锁（注意不是锁竞争，如果冲突的话是升级为重量级锁了）
调用 wait/notify：也会撤销偏向锁升级为重量级锁，因为 wait/notify 只有重量级锁有