Java并发-synchronized, 偏向锁, 轻量级锁详解

synchronized概述

synchronized就是所谓的重量级锁, 但是自从jdk1.6引入了偏向锁, 轻量级锁之后, synchronized就没有那么重了。

synchronized用法

• 对于普通同步方法，锁是当前实例对象
• 对于静态同步方法，锁是当前类的Class对象
• 对于同步方法块，锁是Synchonized括号里配置的对象

synchronized实现原理

• 任何对象都有一个monitor与之关联，当且一个monitor被持有后，它将处于锁定状态
• 使用monitorenter和monitorexit指令实现
  • monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置
  • 线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁
  • monitorexit是插入到方法结束处和异常处
  • JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对
• synchronized用的锁是存在Java对象头里的

Java对象头

Java对象头的长度

长 度	内 容	说 明
32/64bit	Mark Word	存储对象的hashCode或锁信息
32/64bit	Class Metadata Address	存储到对象类型数据的指针
32/64bit	Array length	数组的长度(如果当前对象是数组)

Java对象头的存储结构

Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位

32位JVM的Mark Word的默认存储结构 :

锁状态	25bit	4bit	1bit是否偏向锁	2bit锁标志位
无锁状态	对象的hashCode	对象的分代年龄	0	01

64位JVM的Mark Word的默认存储结构 :

锁状态	25bit	31bit	1bit	4bit	1bit	2bit
			cms_free	分代年龄	偏向锁	锁标志位
无锁	unused	hasCode			0	01
偏向锁	ThreadID(51bit)Epoch(2bit)				1	01

在运行期间，Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word可能变化为存储以下4种数据:

锁状态	25bit		4bit	1bit	2bit
23bit	2bit	是否偏向锁		锁标志位
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针				00
重量级锁	指向互斥量(重量级锁)的指针				10
GC标记	空				11
偏向锁	线程ID	Epoch	对象分代年龄	1	01

锁的升级与对比

锁状态

在JDK1.6之后, 锁存在四种状态, 级别从低到高依次是 :

• 无锁状态
• 偏向锁状态
• 轻量级锁状态
• 重量级锁状态

这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

偏向锁

偏向锁引入原因:

由于大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁

偏向锁获取流程

流程说明 :

1. 线程进入同步代码块时, 先判断对象头的Mark Word是否无锁状态,是否可偏向(锁标志位01, 偏向锁状态为0), 是的话CAS设置偏向锁状态为1, 表示启用偏向锁, 并将偏向锁指向当前线程然后执行步骤6, 否则的话继续进行下面的判断
2. 判断对象头的Mark Word中是否存储着指向当前线程的偏向锁, 如果是表示获取偏向锁成功, 则执行步骤6, 否则执行步骤3
3. 判断Mark Word中偏向锁标识是否设置为1(表示当前是偏向锁), 如果是的话指向步骤4 ,否则执行步骤5
4. 尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程, 成功表示获取偏向锁成功, 则执行步骤6, 失败则表示存在竞争, 偏向锁要升级为轻量级锁, 偏向锁撤销和升级的流程下面再进行说明
5. 表示已经不是偏向锁了, 使用CAS竞争锁
6. 执行同步代码块

偏向锁撤销

线程1获取偏向锁的流程和上面偏向锁获取流程一致, 这里就省略了, 从线程2开始对上述流程做一个说明 :

1. 线程2访问同步代码块, 发现对象头Mark Word中偏向锁标志为1, 锁标志位为01, 表示可偏向, 因为线程1已经获取了偏向锁, 这个时候对象头的状态已经由线程1更新为偏向锁状态了

2. 检查对象头中偏向锁是否指向了线程2, 发现并不是,这时还是指向线程1

3. 尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程, CAS替换Mark Word成功表示获取偏向锁成功, 这里由于对象头中Mark Word已经指向了线程1, 所以替换失败, 需要撤销偏向锁

   这里关于CAS替换Mark Word这一步, 个人的理解就是, 一个偏向锁只能由一个线程获得, 如果第二个线程来试图获取偏向锁时, 偏向模式就宣告结束。根据所对象目前是否处于被锁定状态, 执行撤销偏向锁恢复到无锁状态,或者将偏向锁升级为轻量级锁状态

4. 撤销偏向锁, 需要等待全局安全点(safepoint)

5. 首先暂停拥有偏向锁的线程, 检查持有偏向锁的线程是否存活 , 如果线程存活, 则锁升级为轻量级锁, 否则进行偏向锁撤销

6. 偏向锁撤销之后, 恢复线程1, 线程2再去以偏向模式获取偏向锁

偏向锁关闭

• 偏向锁是默认开启的，而且开始时间一般是比应用程序启动慢几秒，如果不想有这个延迟，那么可以使用-XX:BiasedLockingStartUpDelay=0；

• 如果不想要偏向锁，那么可以通过-XX:-UseBiasedLocking = false来设置；

轻量级锁

轻量级锁加锁

线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。

轻量级锁解锁

轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。下图就是竞争导致锁膨胀的流程图:

因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋（比如获得锁的线程被阻塞住了），一旦锁升级
成重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下，其他线程试图获取锁时，
都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮
的夺锁之争。

锁对比

锁	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法比仅存在纳秒级的差距。	如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗。	适用于只有一个线程访问同步块场景。
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度。	如果始终得不到锁竞争的线程使用自旋会消耗CPU。	追求响应时间。同步块执行速度非常快。
重量级锁	线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU。	线程阻塞，响应时间缓慢。	追求吞吐量。同步块执行速度较长。

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参考
方腾飞
周志明<深入理解Java虚拟机>