Synchronized 锁升级

Synchronized 锁升级

锁的基础知识

锁的类型

从宏观上锁分为乐观锁和悲观锁

• 乐观锁：认为读多写少，遇到并发写情况较少。每次读取数据时都认为数据不会修改，不会加锁；在更新时会判断在这期间是否有数据修改，判断读取的版本号与当前版本号是否一致。java中乐观锁通过cas操作实现。
• 悲观锁：即认为写多，遇到并发写情况较多。每次读取数据时都会加锁，其他线程读取数据时都要block等待锁释放。java中悲观锁通过Synchronized实现。

JAVA线程阻塞的代价

java 的线程是映射到原生操作系统线程上的，阻塞和唤醒操作系统都需要操作系统介入的，需要在用户态和核心态之间转换。这种切换会耗费大量操作系统资源，因为用户态和核心态都有各自专用的内存空间、寄存器等。用户态切换到内核态需要传递许多变量、参数给内核，内核也需要保存好用户态在切换时的寄存器值和变量。

markword对象头标识

markword是java对象数据结构中的一部分，他的最后2bit是锁状态标识，用来标记当前对象所处的状态。

• 01：未锁定（对象的hash值、对象年龄分代）
• 00：轻量级锁（指向锁记录的指针）
• 10：重量级锁（指向重量级锁的指针）
• 01：偏向锁（偏向线程ID、偏向时间、对象年龄代）

Synchronized 实现原理

实现原理图如下：

image.png

当多个线程同时访问某个监控对象时，对象监控器会将这些线程存储在不同容器中。

1. ContentionList:竞争队列，所有线程首先存储在竞争队列中
2. EntryList:竞争队列中有资格成为候选资源的线程被移动到EntryList中
3. WaitSet:调用wait()方法的阻塞线程放置在WaitSet中
4. onDeck:任意时刻最多只有一个线程在竞争锁资源，该线程为OnDeck
5. Owner:当前已经取得资源的线程为Owner

JVM每次从对尾取出一个线程作为竞争候选者（OnDeck），在并发情况下ContentionList中的并发线程执行CAS访问。JVM 会对部分线程移动到EntryList作为候选竞争线程。Owner线程会在unlock时，将部分ContentionList中的线程移动到EntryList中，并指定某个EntryList中的线程为OnDeck线程，OnDeck需要重新竞争锁，竞争切换。

OnDeck在取得资源时会变为Owner线程，如果没有取得资源仍会留在EntryList中，如果Owner线程调用wait()方法阻塞，则会转移到WaitSet中，直到调用notify或者notifyAll唤醒，重新进入EntryList中。

锁升级

锁的状态：无锁状态、偏向锁、轻量级锁状态、重量级锁状态（级别由低到高）

偏向锁

偏向锁他会偏向第一次访问的线程，当线程获取锁对象时，会在java对象头markword中记录偏向锁的threadID，并不会主动释放偏向锁。当同一个线程再次获取锁时会比较当前的threadID与对象头中的threadID是否一致。如果一致则不需要通过CAS来加锁、解锁。如果不一致并且线程还需要持续持有锁，则暂停当前线程撤销偏向锁，升级为轻量级锁。如果不在需要持续持有锁则锁对象头设为无锁状态，重新设置偏向锁。

偏向锁过程：

1. 访问Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1，锁标识位是否为01，确认偏向状态
2. 如果为可偏向状态，则判断当前线程ID是否为偏向线程
3. 如果偏向线程未只想当前线程，则通过cas操作竞争锁，如果竞争成功则操作Mark Word中线程ID设置为当前线程ID
4. 如果cas偏向锁获取失败，则挂起当前偏向锁线程，偏向锁升级为轻量级锁。

轻量级锁

轻量级锁由偏向锁升级而来，偏向锁运行在一个线程同步块时，第二个线程加入锁竞争的时候，偏向锁就会升级为轻量级锁。

轻量级锁过程：

1. 线程由偏向锁升级为轻量级锁时，会先把锁的对象头MarkWord复制一份到线程的栈帧中，建立一个名为锁记录空间（Lock Record），用于存储当前Mark Word的拷贝。
2. 虚拟机使用cas操作尝试将对象的Mark Word指向Lock Record的指针，并将Lock record里的owner指针指对象的Mark Word。
3. 如果cas操作成功，则该线程拥有了对象的轻量级锁。第二个线程cas自选锁等待锁线程释放锁。
4. 如果多个线程竞争锁，轻量级锁要膨胀为重量级锁，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针。其他等待线程进入阻塞状态。

synchronized的执行过程：

1. 检测Mark Word里面是不是当前线程的ID，如果是，表示当前线程处于偏向锁
2. 如果不是，则使用CAS将当前线程的ID替换Mard Word，如果成功则表示当前线程获得偏向锁，置偏向标志位1
3. 如果失败，则说明发生竞争，撤销偏向锁，进而升级为轻量级锁。
4. 当前线程使用CAS将对象头的Mark Word替换为锁记录指针，如果成功，当前线程获得锁
5. 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。
6. 如果自旋成功则依然处于轻量级状态。
7. 如果自旋失败，则升级为重量级锁。