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Java synchronized偏向鎖的核心原理詳解

更新時(shí)間：2022年03月01日 16:54:45 作者：小小茶花女

這篇文章主要為大家詳細(xì)介紹了Java synchronized偏向鎖的核心原理，文中示例代碼介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價(jià)值，感興趣的小伙伴們可以參考一下，希望能夠給你帶來幫助

1. 偏向鎖的核心原理

輕量級(jí)鎖在沒有競(jìng)爭(zhēng)時(shí)（就自己這個(gè)線程），每次重入仍然需要執(zhí)行 CAS 操作。 Java 6 中引入了偏向鎖來做進(jìn)一步優(yōu)化：只有第一次使用 CAS 將線程 ID 設(shè)置到對(duì)象的 Mark Word 頭，之后發(fā)現(xiàn) 這個(gè)線程 ID 是自己的就表示沒有競(jìng)爭(zhēng)，不用重新 CAS。以后只要不發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，這個(gè)對(duì)象就歸該線程所有。

public class Main {
    static final Object obj = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(()->{
           m1();
        });
        thread.start();
    }
    public static void m1() {
        synchronized( obj ) {
            // 同步塊 A
            m2();
        }
    }
    public static void m2() {
        synchronized( obj ) {
            // 同步塊 B
            m3();
        }
    }
    public static void m3() {
        synchronized( obj ) {
            //偏向狀態(tài)
            // 同步塊 C
        }
    }
}

偏向鎖的核心原理是：如果不存在線程競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)線程獲得了鎖，那么鎖就進(jìn)入偏向狀態(tài)，此時(shí)Mark Word的結(jié)構(gòu)變?yōu)槠蜴i結(jié)構(gòu)，鎖對(duì)象的鎖標(biāo)志位（lock）被改為01，偏向標(biāo)志位（biased_lock）被改為1，然后線程的ID記錄在鎖對(duì)象的Mark Word中（使用CAS操作完成）。以后該線程獲取鎖時(shí)判斷一下線程ID和標(biāo)志位，就可以直接進(jìn)入同步塊，連CAS操作都不需要，這樣就省去了大量有關(guān)鎖申請(qǐng)的操作，從而也就提升了程序的性能。

偏向鎖的主要作用是消除無競(jìng)爭(zhēng)情況下的同步原語，進(jìn)一步提升程序性能，所以，在沒有鎖競(jìng)爭(zhēng)的場(chǎng)合，偏向鎖有很好的優(yōu)化效果。但是，一旦有第二條線程需要競(jìng)爭(zhēng)鎖，那么偏向模式立即結(jié)束，進(jìn)入輕量級(jí)鎖的狀態(tài)。

假如在大部分情況下同步塊是沒有競(jìng)爭(zhēng)的，那么可以通過偏向來提高性能。即在無競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，之前獲得鎖的線程再次獲得鎖時(shí)會(huì)判斷偏向鎖的線程ID是否指向自己，如果是，那么該線程將不用再次獲得鎖，直接就可以進(jìn)入同步塊；如果未指向當(dāng)前線程，當(dāng)前線程就會(huì)采用CAS操作將Mark Word中的線程ID設(shè)置為當(dāng)前線程ID，如果CAS操作成功，那么獲取偏向鎖成功，執(zhí)行同步代碼塊，如果CAS操作失敗，那么表示有競(jìng)爭(zhēng)，搶鎖線程被掛起，撤銷占鎖線程的偏向鎖，然后將偏向鎖膨脹為輕量級(jí)鎖。

在這里插入圖片描述

偏向鎖的加鎖過程為：新線程只需要判斷內(nèi)置鎖對(duì)象的Mark Word中的線程ID是不是自己的ID，如果是就直接使用這個(gè)鎖，而不使用CAS交換；如果不是，比如在第一次獲得此鎖時(shí)內(nèi)置鎖的線程ID為空，就使用CAS交換，新線程將自己的線程ID交換到內(nèi)置鎖的Mark Word中，如果交換成功，就加鎖成功。

每執(zhí)行一輪搶占，JVM內(nèi)部都會(huì)比較內(nèi)置鎖的偏向線程ID與當(dāng)前線程ID，如果匹配，就表明當(dāng)前線程已經(jīng)獲得了偏向鎖，當(dāng)前線程可以快速進(jìn)入臨界區(qū)。所以，偏向鎖的效率是非常高的?？傊?，偏向鎖是針對(duì)一個(gè)線程而言的，線程獲得鎖之后就不會(huì)再有解鎖等操作了，這樣可以省略很多開銷。

偏向鎖的缺點(diǎn)：如果鎖對(duì)象時(shí)常被多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)，偏向鎖就是多余的，并且其撤銷的過程會(huì)帶來一些性能開銷。

2. 偏向鎖的撤銷

假如有多個(gè)線程來競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖，此對(duì)象鎖已經(jīng)有所偏向，其他的線程發(fā)現(xiàn)偏向鎖并不是偏向自己，就說明存在了競(jìng)爭(zhēng)，嘗試撤銷偏向鎖（很可能引入安全點(diǎn)），然后膨脹到輕量級(jí)鎖。

偏向鎖撤銷的開銷花費(fèi)還是挺大的，其大概過程如下：

(1) 在一個(gè)安全點(diǎn)停止擁有鎖的線程。

(2) 遍歷線程的棧幀，檢查是否存在鎖記錄。如果存在鎖記錄，就需要清空鎖記錄，使其變成無鎖狀態(tài)，并修復(fù)鎖記錄指向的Mark Word，清除其線程ID。

(3) 將當(dāng)前鎖升級(jí)成輕量級(jí)鎖。

(4) 喚醒當(dāng)前線程。

所以，如果某些臨界區(qū)存在兩個(gè)及兩個(gè)以上的線程競(jìng)爭(zhēng)，那么偏向鎖反而會(huì)降低性能。在這種情況下，可以在啟動(dòng)JVM時(shí)就把偏向鎖的默認(rèn)功能關(guān)閉。

撤銷偏向鎖的條件：

(1) 多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖。

(2) 調(diào)用偏向鎖對(duì)象的hashcode()方法或者System.identityHashCode()方法計(jì)算對(duì)象的HashCode之后，將哈希碼放置到Mark Word中，內(nèi)置鎖變成無鎖狀態(tài)，偏向鎖將被撤銷。

3. 偏向鎖的膨脹

如果偏向鎖被占據(jù)，一旦有第二個(gè)線程爭(zhēng)搶這個(gè)對(duì)象，因?yàn)槠蜴i不會(huì)主動(dòng)釋放，所以第二個(gè)線程可以看到內(nèi)置鎖偏向狀態(tài)，這時(shí)表明在這個(gè)對(duì)象鎖上已經(jīng)存在競(jìng)爭(zhēng)了。JVM檢查原來持有該對(duì)象鎖的占有線程是否依然存活，如果掛了，就可以將對(duì)象變?yōu)闊o鎖狀態(tài)，然后進(jìn)行重新偏向，偏向?yàn)閾屾i線程。

如果JVM檢查到原來的線程依然存活，就進(jìn)一步檢查占有線程的調(diào)用堆棧是否通過鎖記錄持有偏向鎖。如果存在鎖記錄，就表明原來的線程還在使用偏向鎖，發(fā)生鎖競(jìng)爭(zhēng)，撤銷原來的偏向鎖，將偏向鎖膨脹（INFLATING）為輕量級(jí)鎖。