synchronized鎖的升級(偏向鎖、輕量級鎖及重量級鎖）

java同步鎖前置知識點

• 1.編碼中如果使用鎖可以使用synchronized關(guān)鍵字，對方法、代碼塊進行同步加鎖
• 2.Synchronized同步鎖是jvm內(nèi)置的隱式鎖（相對Lock，隱式加鎖與釋放）
• 3.Synchronized同步鎖的實現(xiàn)依賴于操作系統(tǒng)，獲取鎖與釋放鎖進行系統(tǒng)調(diào)用，會引起用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)切換
• 4.jdk1.5之前加鎖只能使用synchronized，1.6引入Lock同步鎖（請求鎖基于java實現(xiàn)，顯式加鎖與釋放、性能更優(yōu)）
• 5.jdk1.6對于Synchronzied同步鎖提出了偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖的概念（其實是對synchronized的性能優(yōu)化，盡可能減少鎖競爭帶來的上下文切換）
• 6.無論是使用synchronized還是Lock，線程上下文切換都是無法避免的
• 7.Lock相對synchronized的性能優(yōu)化的其中一點是：在線程阻塞的時候，Lock獲取鎖不會導(dǎo)致用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的切換，而synchronized會（看第3點）。但是線程阻塞都會導(dǎo)致上下文切換（看第6點）
• 8.java線程的阻塞與喚醒依賴操作系統(tǒng)調(diào)用，導(dǎo)致用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)切換
• 9.前面說的用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)切換發(fā)生的是進程上下文切換而非線程上下文切換

本文主要關(guān)注synchronized鎖的升級。

synchronized同步鎖

java對象頭

每個java對象都有一個對象頭，對象頭由類型指針和標記字段組成。

在64位虛擬機中，未開啟壓縮指針，標記字段占64位，類型指針占64位，共計16個字節(jié)。

鎖類型信息為標記字段的最后2位：00表示輕量級鎖，01表示無鎖或偏向鎖，10表示重量級鎖；如果倒數(shù)第3位為1表示這個類的偏向鎖啟用，為0表示類的偏向鎖被禁用。

如下圖，圖片來源wiki

左側(cè)一列表示偏向鎖啟用（方框1），右側(cè)一列表示偏向鎖禁用（方框3）。1和3都表示無鎖的初始狀態(tài)，如果啟用偏向鎖，鎖升級的步驟應(yīng)該是1->2->4->5，如果禁用偏向鎖，鎖升級步驟是3->4->5。

我用的jdk8，打印了參數(shù)看了下，默認是啟用偏向鎖，如要是禁用： -XX:-UseBiasedLocking

關(guān)于偏向鎖還有另外幾個參數(shù)：

注意BiasedLockingStartupDelay參數(shù)，默認值4000ms，表示虛擬機啟動的延遲4s才會使用偏向鎖（先使用輕量級鎖）。

偏向鎖

偏向鎖處理的場景是大部分時間只有同一條線程在請求鎖，沒有多線程競爭鎖的情況。看對象頭圖的紅框2，有個thread ID字段：當?shù)谝淮尉€程加鎖的時候，jvm通過cas將當前線程地址設(shè)置到thread ID標記位，最后3位是101。下次同一線程再獲取鎖的時候只用檢查最后3位是否為101，是否為當前線程，epoch是否和鎖對象的類的epoch相等(wiki上說沒有再次cas設(shè)置是為了針對現(xiàn)在多處理器上的cas操作的優(yōu)化）。

偏向鎖優(yōu)化帶來的性能提升指的是避免了獲取鎖進行系統(tǒng)調(diào)用導(dǎo)致的用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換，因為都是同一條線程獲取鎖，沒有必要每次獲取鎖的時候都要進行系統(tǒng)調(diào)用。

如果當前線程獲取鎖的時候（無鎖狀態(tài)下）線程ID與當前線程不匹配，會將偏向鎖撤銷，重新偏向當前線程，如果次數(shù)達到BiasedLockingBulkRebiasThreshold的值，默認20次，當前類的偏向鎖失效，影響就是epoch的值變動，加鎖類的epoch值加1，后續(xù)鎖對象會重新copy類的epoch值到圖中的epoch標記位。如果總撤銷次數(shù)達到BiasedLockingBulkRevokeThreshold的值（默認40次），就禁用當前類的偏向鎖了，就是對象頭右側(cè)列了，加鎖直接從輕量鎖開始了（鎖升級了）。

偏向鎖的撤銷是個很麻煩的過程，需要所有線程達到安全點（發(fā)生STW），遍歷所有線程的線程棧檢查是否持有鎖對象，避免丟鎖，還有就是對epoch的處理。

如果存在多線程競爭，那偏向鎖就要升級了，升級到輕量級鎖。

輕量級鎖

輕量級鎖處理的場景是在同的時間段有不同的線程請求鎖（線程交替執(zhí)行）。即使同一時間段，存在多條線程競爭鎖，獲取到鎖的線程持有鎖的時間也特別短，很快就釋放鎖了。

線程加鎖的時候，判斷不是重量級鎖，就會在當前線程棧內(nèi)開辟一個空間，作為鎖記錄，將鎖對象頭的標記字段復(fù)制過來（復(fù)制過來是做一個記錄，因為后面要把鎖對象頭的標記字段的值替換為剛才復(fù)制這個標記字段的空間地址，就像對象頭那個圖片中的pointer to lock record部分，至于最后2位，因為是內(nèi)存對齊的緣故，所以是00）。然后基于CAS操作將復(fù)制這個標記字段的地址設(shè)置為鎖對象頭的標記位的值，如果成功就是獲取到鎖了。如果加鎖的時候判斷不是重量級鎖，最后兩位也不是01（從偏向鎖或無鎖狀態(tài)過來的），那就說明已經(jīng)有線程持有了，如果是當前線程在（需要重入），那就設(shè)置一個0，這里是個棧結(jié)構(gòu)，直接壓入一個0即可。最后釋放鎖的時候，出棧，最后一個元素記錄的就是鎖對象原來的標記字段的值，再通過CAS設(shè)置到鎖對象頭即可。

注意在獲取鎖的時候，cas失敗，當前線程會自旋一會，達到一定次數(shù)，升級到重量級鎖，當前線程也會阻塞。

重量級鎖

重量級就是我們平常說的加的同步鎖，也就是java基礎(chǔ)的鎖實現(xiàn)，獲取鎖與釋放鎖的時候都要進行系統(tǒng)調(diào)用，從而導(dǎo)致上下文切換。

關(guān)于自旋鎖

關(guān)于自旋鎖，我查閱相關(guān)資料，主要有兩種說明：

1、是輕量級鎖競爭失敗，不會立即膨脹為重量級而是先自旋一定次數(shù)嘗試獲取鎖；

2、是重量級鎖競爭失敗也不會立即阻塞，也是自旋一定次數(shù)（這里涉及到一個自調(diào)整算法）。

關(guān)于這個說明，還是要看jvm的源碼實現(xiàn)才能確定哪個是真實的：

打印偏向鎖的參數(shù)

如下：

-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions

-XX:+PrintBiasedLockingStatistics

我在main方法循環(huán)獲取同一把鎖，打印結(jié)果如下：

    public static void main(String[] args) {
        int num = 0;
        for (int i = 0; i < 1_000_000000; i++) {
            synchronized (lock) {
                num++;
            }
        }
    }

synchronized原理解析

一：synchronized原理解析

1：對象頭

首先，我們要知道對象在內(nèi)存中的布局：

已知對象是存放在堆內(nèi)存中的，對象大致可以分為三個部分，分別是對象頭、實例變量和填充字節(jié)。

• 對象頭zhuyao是由MarkWord和Klass Point(類型指針)組成，其中Klass Point是對象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例，Mark Word用于存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù)。如果對象是數(shù)組對象，那么對象頭占用3個字寬（Word），如果對象是非數(shù)組對象，那么對象頭占用2個字寬。（1word = 2 Byte = 16 bit）。
• 實例變量存儲的是對象的屬性信息，包括父類的屬性信息，按照4字節(jié)對齊。
• 填充字符，因為虛擬機要求對象字節(jié)必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，填充字符就是用于湊齊這個整數(shù)倍的。

通過第一部分可以知道，Synchronized不論是修飾方法還是代碼塊，都是通過持有修飾對象的鎖來實現(xiàn)同步，那么Synchronized鎖對象是存在哪里的呢？答案是存在鎖對象的對象頭的MarkWord中。那么MarkWord在對象頭中到底長什么樣，也就是它到底存儲了什么呢？

在32位的虛擬機中：

在64位的虛擬機中：

上圖中的偏向鎖和輕量級鎖都是在java6以后對鎖機制進行優(yōu)化時引進的，下文的鎖升級部分會具體講解，Synchronized關(guān)鍵字對應(yīng)的是重量級鎖，接下來對重量級鎖在Hotspot JVM中的實現(xiàn)鎖講解。

2：Synchronized在JVM中的實現(xiàn)原理

重量級鎖對應(yīng)的鎖標志位是10，存儲了指向重量級監(jiān)視器鎖的指針，在Hotspot中，對象的監(jiān)視器（monitor）鎖對象由ObjectMonitor對象實現(xiàn)（C++），其跟同步相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

ObjectMonitor() {
    _count        = 0; //用來記錄該對象被線程獲取鎖的次數(shù)
    _waiters      = 0;
    _recursions   = 0; //鎖的重入次數(shù)
    _owner        = NULL; //指向持有ObjectMonitor對象的線程 
    _WaitSet      = NULL; //處于wait狀態(tài)的線程，會被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _EntryList    = NULL ; //處于等待鎖block狀態(tài)的線程，會被加入到該列表
  }

光看這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對監(jiān)視器鎖的工作機制還是一頭霧水，那么我們首先看一下線程在獲取鎖的幾個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換：

線程的生命周期存在5個狀態(tài)，start、running、waiting、blocking和dead

對于一個synchronized修飾的方法(代碼塊)來說：

• 當多個線程同時訪問該方法，那么這些線程會先被放進_EntryList隊列，此時線程處于blocking狀態(tài)。
• 當一個線程獲取到了實例對象的監(jiān)視器（monitor）鎖，那么就可以進入running狀態(tài)，執(zhí)行方法，此時，ObjectMonitor對象的_owner指向當前線程，_count加1表示當前對象鎖被一個線程獲取
• 當running狀態(tài)的線程調(diào)用wait()方法，那么當前線程釋放monitor對象，進入waiting狀態(tài)，ObjectMonitor對象的_owner變?yōu)閚ull，_count減1，同時線程進入_WaitSet隊列，直到有線程調(diào)用notify()方法喚醒該線程，則該線程重新獲取monitor對象進入_Owner區(qū)
• 如果當前線程執(zhí)行完畢，那么也釋放monitor對象，進入waiting狀態(tài)，ObjectMonitor對象的_owner變?yōu)閚ull，_count減1

那么Synchronized修飾的代碼塊/方法如何獲取monitor對象的呢？

在JVM規(guī)范里可以看到，不管是方法同步還是代碼塊同步都是基于進入和退出monitor對象來實現(xiàn)，然而二者在具體實現(xiàn)上又存在很大的區(qū)別。通過javap對class字節(jié)碼文件反編譯可以得到反編譯后的代碼。

（1）Synchronized修飾代碼塊：

Synchronized代碼塊同步在需要同步的代碼塊開始的位置插入monitorentry指令，在同步結(jié)束的位置或者異常出現(xiàn)的位置插入monitorexit指令；JVM要保證monitorentry和monitorexit都是成對出現(xiàn)的，任何對象都有一個monitor與之對應(yīng)，當這個對象的monitor被持有以后，它將處于鎖定狀態(tài)。

例如，同步代碼塊如下：

public class SyncCodeBlock {
   public int i;
   public void syncTask(){
       synchronized (this){
           i++;
       }
   }
}

對同步代碼塊編譯后的class字節(jié)碼文件反編譯，結(jié)果如下（僅保留方法部分的反編譯內(nèi)容）：

  public void syncTask();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter  //注意此處，進入同步方法
         4: aload_0
         5: dup
         6: getfield      #2             // Field i:I
         9: iconst_1
        10: iadd
        11: putfield      #2            // Field i:I
        14: aload_1
        15: monitorexit   //注意此處，退出同步方法
        16: goto          24
        19: astore_2
        20: aload_1
        21: monitorexit //注意此處，退出同步方法
        22: aload_2
        23: athrow
        24: return
      Exception table:
      //省略其他字節(jié)碼.......

可以看出同步方法塊在進入代碼塊時插入了monitorentry語句，在退出代碼塊時插入了monitorexit語句，為了保證不論是正常執(zhí)行完畢（第15行）還是異常跳出代碼塊（第21行）都能執(zhí)行monitorexit語句，因此會出現(xiàn)兩句monitorexit語句。

（2）Synchronized修飾方法：

Synchronized方法同步不再是通過插入monitorentry和monitorexit指令實現(xiàn)，而是由方法調(diào)用指令來讀取運行時常量池中的ACC_SYNCHRONIZED標志隱式實現(xiàn)的，如果方法表結(jié)構(gòu)（method_info Structure）中的ACC_SYNCHRONIZED標志被設(shè)置，那么線程在執(zhí)行方法前會先去獲取對象的monitor對象，如果獲取成功則執(zhí)行方法代碼，執(zhí)行完畢后釋放monitor對象，如果monitor對象已經(jīng)被其它線程獲取，那么當前線程被阻塞。

同步方法代碼如下：

public class SyncMethod {
   public int i;
   public synchronized void syncTask(){
           i++;
   }
}

對同步方法編譯后的class字節(jié)碼反編譯，結(jié)果如下（僅保留方法部分的反編譯內(nèi)容）：

public synchronized void syncTask();
    descriptor: ()V
    //方法標識ACC_PUBLIC代表public修飾，ACC_SYNCHRONIZED指明該方法為同步方法
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: getfield      #2                  // Field i:I
         5: iconst_1
         6: iadd
         7: putfield      #2                  // Field i:I
        10: return
      LineNumberTable:
        line 12: 0
        line 13: 10
}

可以看出方法開始和結(jié)束的地方都沒有出現(xiàn)monitorentry和monitorexit指令，但是出現(xiàn)的ACC_SYNCHRONIZED標志位。

三、鎖的優(yōu)化

1、鎖升級

鎖的4中狀態(tài)：無鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級鎖狀態(tài)、重量級鎖狀態(tài)（級別從低到高）

（1）偏向鎖：

為什么要引入偏向鎖？

• 因為經(jīng)過HotSpot的作者大量的研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)時候是不存在鎖競爭的，常常是一個線程多次獲得同一個鎖，因此如果每次都要競爭鎖會增大很多沒有必要付出的代價，為了降低獲取鎖的代價，才引入的偏向鎖。

偏向鎖的升級：

• 當線程1訪問代碼塊并獲取鎖對象時，會在java對象頭和棧幀中記錄偏向的鎖的threadID，因為偏向鎖不會主動釋放鎖，因此以后線程1再次獲取鎖的時候，需要比較當前線程的threadID和Java對象頭中的threadID是否一致，如果一致（還是線程1獲取鎖對象），則無需使用CAS來加鎖、解鎖；如果不一致（其他線程，如線程2要競爭鎖對象，而偏向鎖不會主動釋放因此還是存儲的線程1的threadID），那么需要查看Java對象頭中記錄的線程1是否存活，如果沒有存活，那么鎖對象被重置為無鎖狀態(tài)，其它線程（線程2）可以競爭將其設(shè)置為偏向鎖；如果存活，那么立刻查找該線程（線程1）的棧幀信息，如果還是需要繼續(xù)持有這個鎖對象，那么暫停當前線程1，撤銷偏向鎖，升級為輕量級鎖，如果線程1 不再使用該鎖對象，那么將鎖對象狀態(tài)設(shè)為無鎖狀態(tài)，重新偏向新的線程。

偏向鎖的取消：

• 偏向鎖是默認開啟的，而且開始時間一般是比應(yīng)用程序啟動慢幾秒，如果不想有這個延遲，那么可以使用-XX:BiasedLockingStartUpDelay=0；
• 如果不想要偏向鎖，那么可以通過-XX:-UseBiasedLocking = false來設(shè)置；

（2）輕量級鎖

為什么要引入輕量級鎖？

• 輕量級鎖考慮的是競爭鎖對象的線程不多，而且線程持有鎖的時間也不長的情景。因為阻塞線程需要CPU從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)，代價較大，如果剛剛阻塞不久這個鎖就被釋放了，那這個代價就有點得不償失了，因此這個時候就干脆不阻塞這個線程，讓它自旋這等待鎖釋放。

輕量級鎖什么時候升級為重量級鎖？

• 線程1獲取輕量級鎖時會先把鎖對象的對象頭MarkWord復(fù)制一份到線程1的棧幀中創(chuàng)建的用于存儲鎖記錄的空間（稱為DisplacedMarkWord），然后使用CAS把對象頭中的內(nèi)容替換為線程1存儲的鎖記錄（DisplacedMarkWord）的地址；
• 如果在線程1復(fù)制對象頭的同時（在線程1CAS之前），線程2也準備獲取鎖，復(fù)制了對象頭到線程2的鎖記錄空間中，但是在線程2CAS的時候，發(fā)現(xiàn)線程1已經(jīng)把對象頭換了，線程2的CAS失敗，那么線程2就嘗試使用自旋鎖來等待線程1釋放鎖。
• 但是如果自旋的時間太長也不行，因為自旋是要消耗CPU的，因此自旋的次數(shù)是有限制的，比如10次或者100次，如果自旋次數(shù)到了線程1還沒有釋放鎖，或者線程1還在執(zhí)行，線程2還在自旋等待，這時又有一個線程3過來競爭這個鎖對象，那么這個時候輕量級鎖就會膨脹為重量級鎖。重量級鎖把除了擁有鎖的線程都阻塞，防止CPU空轉(zhuǎn)。

注意：為了避免無用的自旋，輕量級鎖一旦膨脹為重量級鎖就不會再降級為輕量級鎖了；偏向鎖升級為輕量級鎖也不能再降級為偏向鎖。一句話就是鎖可以升級不可以降級，但是偏向鎖狀態(tài)可以被重置為無鎖狀態(tài)。

（3）這幾種鎖的優(yōu)缺點（偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖）

2、鎖粗化

• 按理來說，同步塊的作用范圍應(yīng)該盡可能小，僅在共享數(shù)據(jù)的實際作用域中才進行同步，這樣做的目的是為了使需要同步的操作數(shù)量盡可能縮小，縮短阻塞時間，如果存在鎖競爭，那么等待鎖的線程也能盡快拿到鎖。
• 但是加鎖解鎖也需要消耗資源，如果存在一系列的連續(xù)加鎖解鎖操作，可能會導(dǎo)致不必要的性能損耗。
• 鎖粗化就是將多個連續(xù)的加鎖、解鎖操作連接在一起，擴展成一個范圍更大的鎖，避免頻繁的加鎖解鎖操作。

3、鎖消除

• Java虛擬機在JIT編譯時(可以簡單理解為當某段代碼即將第一次被執(zhí)行時進行編譯，又稱即時編譯)，通過對運行上下文的掃描，經(jīng)過逃逸分析，去除不可能存在共享資源競爭的鎖，通過這種方式消除沒有必要的鎖，可以節(jié)省毫無意義的請求鎖時間。

以上為個人經(jīng)驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。