双非本科准备秋招(19.1)—— Synchronized优化

轻量级锁

流程

        一个对象虽然有多线程加锁,但是加锁时间是错开的,那么可以用轻量级锁优化。

        语法还是synchronized,只是对使用者是透明的。

static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步块 A
        method2();
    }
}
public static void method2() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步块 B
    }
}

        首先,会先创建锁记录(Lock Record)对象,每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构,内部可以存储锁定对象的 Mark Word

        双非本科准备秋招(19.1)—— Synchronized优化_第1张图片

        然后,让锁记录中 Object reference 指向锁对象,并尝试用 cas 替换 Object 的 Mark Word,将 Mark Word 的值存 入锁记录

替换分为成功和失败:

        替换成功

        锁记录中存储了对象的MarkWord,00代表轻量级锁,01代表无锁。

        双非本科准备秋招(19.1)—— Synchronized优化_第2张图片

        替换失败

  • 如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁,这时表明有竞争,进入锁膨胀过程
  • 如果是自己执行了 synchronized 锁重入,那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数

        当解锁时,如果有取值为 null 的锁记录,表示有重入,这时重置锁记录,表示重入计数减一

        如果锁记录的值不为 null,这时使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头。

替换也分为成功失败。

  • 成功,则解锁成功
  • 失败,说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁,进入重量级锁解锁流程

锁膨胀

        如果尝试加轻量级锁无法成功,一种情况是有竞争,这时需要进行锁膨胀,将轻量级锁变为重量级锁

        假设锁对象是Object,那就会为 Object 对象申请 Monitor 锁,让 Object 指向重量级锁地址

        然后自己这个线程进入 Monitor 的 EntryList ,被阻塞。

        当获得锁的那个线程解锁时,将 Mark Word 的值恢复给对象头,会失败(因为锁对象指向了Monitor,而不是交换的MarkWord值)。这时会进入重量级解锁流程,即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象,设置 Owner 为 null,唤醒 EntryList 中的线程。

自旋优化

        重量级锁竞争的时候,还可以使用自旋来进行优化,自旋成功可以避免阻塞。

        自旋会占用 CPU 时间,单核 CPU 自旋就是浪费(单线程你旋个鸟,老老实实阻塞就行),多核 CPU 自旋才能发挥优势。

        在 Java 6 之后自旋锁是自适应的,比较智能,会根据实际情况改变自旋次数。

        Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能,也就是底层实现,与我们程序员无关了。

偏向锁

        轻量级锁在没有竞争时,每次重入仍然需要执行 CAS 操作,偏向锁就是为了解决重入问题的。

        Java 6 中引入了偏向锁:只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word ,之后发现 这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争,不用重新 CAS。

static final Object obj = new Object();
public static void m1() {
    synchronized( obj ) {
        // 临界区
        m2();
    }
}
public static void m2() {
    synchronized( obj ) {
        // 临界区
        m3();
    }
}
public static void m3() {
    synchronized( obj ) {
        // 临界区
    }
}

轻量级锁流程如下:

双非本科准备秋招(19.1)—— Synchronized优化_第3张图片

如果用偏向锁优化:

双非本科准备秋招(19.1)—— Synchronized优化_第4张图片

        一个对象创建时: 如果开启了偏向锁(默认开启),那么对象创建后,markword 最后 3 位为 101(001代表normal),这时它的 thread、epoch、age 都为 0

        偏向锁是默认是延迟的,可以加 VM 参数 XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟

        如果没有开启偏向锁,那么对象创建后,markword 最后 3 位为 001,这时它的 hashcode、 age 都为 0,第一次用到 hashcode 时才会赋值

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