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深入了解Java?Synchronized鎖升級(jí)過(guò)程

更新時(shí)間：2022年03月10日 10:05:22 作者：SH的全棧筆記

java中的鎖是針對(duì)對(duì)象而言的,它鎖住的是一個(gè)對(duì)象,并且具有可重入的性質(zhì),下面這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于Java?Synchronized鎖升級(jí)過(guò)程的相關(guān)資料,需要的朋友可以參考下

前言

首先，synchronized 是什么？我們需要明確的給個(gè)定義——同步鎖，沒(méi)錯(cuò)，它就是把鎖。

可以用來(lái)干嘛？鎖，當(dāng)然當(dāng)然是用于線程間的同步，以及保護(hù)臨界區(qū)內(nèi)的資源。我們知道，鎖是個(gè)非?；\統(tǒng)的概念，像生活中有指紋鎖、密碼鎖等等多個(gè)種類(lèi)，那 synchronized 代表的鎖具體是把什么鎖呢？

答案是—— Java 內(nèi)置鎖。在 Java 中，每個(gè)對(duì)象中都隱藏著一把鎖，而 synchronized 關(guān)鍵字就是激活這把隱式鎖的把手（開(kāi)關(guān)）。

先來(lái)簡(jiǎn)單了解一下 synchronized，我們知道其共有 3 種使用方式：

修飾靜態(tài)方法：鎖住當(dāng)前 class，作用于該 class 的所有實(shí)例
修飾非靜態(tài)方法：只會(huì)鎖住當(dāng)前 class 的實(shí)例
修飾代碼塊：該方法接受一個(gè)對(duì)象作為參數(shù)，鎖住的即該對(duì)象

使用方法就不在這里贅述，可自行搜索其詳細(xì)的用法，這不是本篇文章所關(guān)心的內(nèi)容。

知道了 synchronized 的概念，回頭來(lái)看標(biāo)題，它說(shuō)的鎖升級(jí)到底是個(gè)啥？對(duì)于不太熟悉鎖升級(jí)的人來(lái)說(shuō)，可能會(huì)想：

所謂鎖，不就是啪一下鎖上就完事了嗎？升級(jí)是個(gè)什么玩意？這跟打撲克牌也沒(méi)關(guān)系啊。

對(duì)于熟悉的人來(lái)說(shuō)，可能會(huì)想：

不就是「無(wú)鎖 ==> 偏向鎖 ==> 輕量級(jí)鎖 ==> 重量級(jí)鎖」嗎？

你可能在很多地方看到過(guò)上面描述的鎖升級(jí)過(guò)程，也能直接背下來(lái)。但你真的知道無(wú)鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖到底代表著什么嗎？這些鎖存儲(chǔ)在哪里？以及什么情況下會(huì)使得鎖向下一個(gè) level 升級(jí)？

想知道答案，我們似乎必須先搞清楚 Java 內(nèi)置鎖，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是啥樣的？?jī)?nèi)置鎖又存放在哪里？

答案在開(kāi)篇提到過(guò)——在 Java 對(duì)象中。

那么現(xiàn)在的問(wèn)題就從「內(nèi)置鎖結(jié)構(gòu)是啥」變成了「Java 對(duì)象長(zhǎng)啥樣」。

對(duì)象結(jié)構(gòu)

從宏觀上看，Java 對(duì)象的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，分為三部分：

從微觀上看，各個(gè)部分都還可以深入展開(kāi)，詳見(jiàn)下圖：

接下來(lái)分別深入討論一下這三部分。

對(duì)象頭

從腦圖中可以看出，其由 Mark Word、Class Pointer、數(shù)組長(zhǎng)度三個(gè)字段組成。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：

Mark Word：主要用于存儲(chǔ)自身運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)
Class Pointer：是指針，指向方法區(qū)中該 class 的對(duì)象，JVM 通過(guò)此字段來(lái)判斷當(dāng)前對(duì)象是哪個(gè)類(lèi)的實(shí)例
數(shù)組長(zhǎng)度：當(dāng)且僅當(dāng)對(duì)象是數(shù)組時(shí)才會(huì)有該字段

Class Pointer 和數(shù)組長(zhǎng)度沒(méi)什么好說(shuō)的，接下來(lái)重點(diǎn)聊聊 Mark Word。

Mark Word 所代表的「運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)」主要用來(lái)表示當(dāng)前 Java 對(duì)象的線程鎖狀態(tài)以及 GC 的標(biāo)志。而線程鎖狀態(tài)分別就是無(wú)鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖。

所以前文提到的這 4 個(gè)狀態(tài)，其實(shí)就是 Java 內(nèi)置鎖的不同狀態(tài)。

在 JDK 1.6 之前，內(nèi)置鎖都是重量級(jí)鎖，效率低下。效率低下表現(xiàn)在

而在 JDK 1.6 之后為了提高 synchronized 的效率，才引入了偏向鎖、輕量級(jí)鎖。

隨著鎖競(jìng)爭(zhēng)逐漸激烈，其狀態(tài)會(huì)按照「無(wú)鎖 ==> 偏向鎖 ==> 輕量級(jí)鎖 ==> 重量級(jí)鎖」這個(gè)方向逐漸升級(jí)，并且不可逆，只能進(jìn)行鎖升級(jí)，而無(wú)法進(jìn)行鎖降級(jí)。

接下來(lái)我們思考一個(gè)問(wèn)題，既然 Mark Word 可以表示 4 種不同的鎖狀態(tài)，其內(nèi)部到底是怎么區(qū)分的呢？（由于目前主流的 JVM 都是 64 位，所以我們只討論 64 位的 Mark Word）接下來(lái)我們通過(guò)圖片直觀的感受一下。

（1）無(wú)鎖

這個(gè)可以理解為單線程很快樂(lè)的運(yùn)行，沒(méi)有其他的線程來(lái)和其競(jìng)爭(zhēng)。

（2）偏向鎖

首先，什么叫偏向鎖？舉個(gè)例子，一段同步的代碼，一直只被線程 A 訪問(wèn)，既然沒(méi)有其他的線程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)，每次都要獲取鎖豈不是浪費(fèi)資源？所以這種情況下線程 A 就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入偏向鎖的狀態(tài)。

后續(xù)線程 A 再次訪問(wèn)同步代碼時(shí)，不需要做任何的 check，直接執(zhí)行（對(duì)該線程的「偏愛(ài)」），這樣降低了獲取鎖的代價(jià)，提升了效率。

看到這里，你會(huì)發(fā)現(xiàn)無(wú)鎖、偏向鎖的 lock 標(biāo)志位是一樣的，即都是 01，這是因?yàn)闊o(wú)鎖、偏向鎖是靠字段 biased_lock 來(lái)區(qū)分的，0 代表沒(méi)有使用偏向鎖，1 代表啟用了偏向鎖。為什么要這么搞？你可以理解為無(wú)鎖、偏向鎖在本質(zhì)上都可以理解為無(wú)鎖（參考上面提到的線程 A 的狀態(tài)），所以 lock 的標(biāo)志位都是 01 是沒(méi)毛病的。

PS：這里的線程 ID 是持有當(dāng)前對(duì)象偏向鎖的線程

（3）輕量級(jí)鎖

但是，一旦有第二個(gè)線程參與競(jìng)爭(zhēng)，就會(huì)立即膨脹為輕量級(jí)鎖。企圖搶占的線程一開(kāi)始會(huì)使用自旋：

的方式去嘗試獲取鎖。如果循環(huán)幾次，其他的線程釋放了鎖，就不需要進(jìn)行用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。雖然如此，但自旋需要占用很多 CPU 的資源（自行理解汽車(chē)空檔瘋狂踩油門(mén)）。如果另一個(gè)線程一直不釋放鎖，難道它就在這一直空轉(zhuǎn)下去嗎？

當(dāng)然不可能，JDK 1.7 之前是普通自旋，會(huì)設(shè)定一個(gè)最大的自旋次數(shù)，默認(rèn)是 10 次，超過(guò)這個(gè)閾值就停止自旋。JDK 1.7 之后，引入了適應(yīng)性自旋。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是：這次自旋獲取到鎖了，自旋的次數(shù)就會(huì)增加；這次自旋沒(méi)拿到鎖，自旋的次數(shù)就會(huì)減少。

（4）重量級(jí)鎖

上面提到，試圖搶占的線程自旋達(dá)到閾值，就會(huì)停止自旋，那么此時(shí)鎖就會(huì)膨脹成重量級(jí)鎖。當(dāng)其膨脹成重量級(jí)鎖后，其他競(jìng)爭(zhēng)的線程進(jìn)來(lái)就不會(huì)自旋了，而是直接阻塞等待，并且 Mark Word 中的內(nèi)容會(huì)變成一個(gè)監(jiān)視器（monitor）對(duì)象，用來(lái)統(tǒng)一管理排隊(duì)的線程。

這個(gè) monitor 對(duì)象，每個(gè)對(duì)象都會(huì)關(guān)聯(lián)一個(gè)。monitor 對(duì)象本質(zhì)上是一個(gè)同步機(jī)制，保證了同時(shí)只有一個(gè)線程能夠進(jìn)入臨界區(qū)，在 HotSpot 的虛擬機(jī)中，是由 C++ 類(lèi) ObjectMonitor 實(shí)現(xiàn)的。

那么 monitor 對(duì)象具體是如何來(lái)管理線程的？接下來(lái)我們看幾個(gè) ObjectMonitor 類(lèi)關(guān)鍵的屬性：

ContentionQueue：是個(gè)隊(duì)列，所有競(jìng)爭(zhēng)鎖的線程都會(huì)先進(jìn)入這個(gè)隊(duì)列中，可以理解為線程的統(tǒng)一入口，進(jìn)入的線程會(huì)阻塞。
EntryList：ContentionQueue 中有資格的線程會(huì)被移動(dòng)到這里，相當(dāng)于進(jìn)行一輪初篩，進(jìn)入的線程會(huì)阻塞。
Owner：擁有當(dāng)前 monitor 對(duì)象的線程，即 —— 持有鎖的那個(gè)線程。
OnDeck：與 Owner 線程進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的線程，同一時(shí)刻只會(huì)有一個(gè) OnDeck 線程在競(jìng)爭(zhēng)。
WaitSet：當(dāng) Owner 線程調(diào)用 wait() 方法被阻塞之后，會(huì)被放到這里。當(dāng)其被喚醒之后，會(huì)重新進(jìn)入 EntryList 當(dāng)中，這個(gè)集合的線程都會(huì)阻塞。
Count：用于實(shí)現(xiàn)可重入鎖，synchronized 是可重入的。

對(duì)象體

對(duì)象體包含了當(dāng)前對(duì)象的字段和值，在業(yè)務(wù)中u l是較為核心的部分。

對(duì)齊字節(jié)

就是單純用于填充的字節(jié)，沒(méi)有其他的業(yè)務(wù)含義。其目的是為了保證對(duì)象所占用的內(nèi)存大小為 8 的倍數(shù)，因?yàn)镠otSpot VM 的內(nèi)存管理要求對(duì)象的起始地址必須是 8 的倍數(shù)。

鎖升級(jí)

了解完 4 種鎖狀態(tài)之后，我們就可以整體的來(lái)看一下鎖升級(jí)的過(guò)程了。

線程 A 進(jìn)入 synchronized 開(kāi)始搶鎖，JVM 會(huì)判斷當(dāng)前是否是偏向鎖的狀態(tài)，如果是就會(huì)根據(jù) Mark Word 中存儲(chǔ)的線程 ID 來(lái)判斷，當(dāng)前線程 A 是否就是持有偏向鎖的線程。如果是，則忽略 check，線程 A 直接執(zhí)行臨界區(qū)內(nèi)的代碼。

但如果 Mark Word 里的線程不是線程 A，就會(huì)通過(guò)自旋嘗試獲取鎖，如果獲取到了，就將 Mark Word 中的線程 ID 改為自己的；如果競(jìng)爭(zhēng)失敗，就會(huì)立馬撤銷(xiāo)偏向鎖，膨脹為輕量級(jí)鎖。

后續(xù)的競(jìng)爭(zhēng)線程都會(huì)通過(guò)自旋來(lái)嘗試獲取鎖，如果自旋成功那么鎖的狀態(tài)仍然是輕量級(jí)鎖。然而如果競(jìng)爭(zhēng)失敗，鎖會(huì)膨脹為重量級(jí)鎖，后續(xù)等待的競(jìng)爭(zhēng)的線程都會(huì)被阻塞。

補(bǔ)充：Synchronized底層原理

Synchronized被編譯后會(huì)生成monitorenter 和 monitorexit 指令。

在執(zhí)行monitorenter時(shí)，會(huì)嘗試獲取對(duì)象的鎖，如果鎖的計(jì)數(shù)器為 0 則表示鎖可以被獲取，獲取后將鎖計(jì)數(shù)器設(shè)為 1 也就是加 1。

在執(zhí)行 monitorexit 指令后，將鎖計(jì)數(shù)器設(shè)為 0，表明鎖被釋放。如果獲取對(duì)象鎖失敗，那當(dāng)前線程就要阻塞等待，直到鎖被另外一個(gè)線程釋放為止。

Monitor是依賴(lài)于操作系統(tǒng)的mutex lock實(shí)現(xiàn)的，每當(dāng)掛起或者喚醒1個(gè)線程都要切換操作系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)。這個(gè)操作是比較重量級(jí)的，在一些情況下甚至切換時(shí)間本身會(huì)超出線程執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間。

synchronized 修飾的方法并沒(méi)有 monitorenter 指令和 monitorexit 指令，取得代之的確實(shí)是 ACC_SYNCHRONIZED 標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)指明了該方法是一個(gè)同步方法。