快捷導(dǎo)航

JAVA偏向鎖的原理與實(shí)戰(zhàn)

更新時(shí)間：2022年03月14日 14:42:03 作者：CodePanda@GPF

這篇文章主要為大家詳細(xì)介紹了JAVA偏向鎖的原理與實(shí)戰(zhàn)，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

如果不存在線程競爭的一個(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)鎖申請的操作，從而也就提升了程序的性能。

關(guān)鍵點(diǎn)：無競爭

缺點(diǎn)：如果鎖對象時(shí)常被多個(gè)線程競爭，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. 偏向鎖代碼演示

偏向鎖是默認(rèn)是延遲的，不會(huì)在程序啟動(dòng)時(shí)立即生效，如果想避免延遲，可以加 VM 參數(shù)

-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 來禁用延遲

package innerlock;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.vm.VM;
public class InnerLockTest {
	int a=1;
	double b=1.1;
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(VM.current().details());
		Person person=new Person();
		ClassLayout layout=ClassLayout.parseInstance(person);
		new Thread(()->{
			System.out.println("獲取偏向鎖前：");
			System.out.println(layout.toPrintable());
			synchronized (person) {
				System.out.println("獲取偏向鎖中：");
				System.out.println(layout.toPrintable());
			}
			System.out.println("獲取偏向鎖結(jié)束后：");
			System.out.println(layout.toPrintable());
		}
		,"thread1").start();
	}
}
class Person{
}

在這里插入圖片描述

禁用偏向鎖：添加 VM 參數(shù) -XX:-UseBiasedLocking

在這里插入圖片描述

3. 偏向鎖的膨脹與撤銷

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

1. 偏向鎖的撤銷

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)前鎖升級成輕量級鎖

4.喚醒當(dāng)前線程

撤銷偏向鎖的條件(滿足其一即可)：

1.多個(gè)線程競爭偏向鎖

2.調(diào)用偏向鎖對象的hashcode()方法或者System.identityHashCode()方法計(jì)算對象的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

2. 批量重偏向與撤銷

批量重偏向解決的問題:

一個(gè)線程創(chuàng)建了大量對象并執(zhí)行了初始的同步操作，之后在另一個(gè)線程中將這些對象作為鎖進(jìn)行之后的操作。這種case下，會(huì)導(dǎo)致大量的偏向鎖撤銷操作。

package innerlock;
import java.util.ArrayList;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.vm.VM;
public class InnerLockTest {
	int a=1;
	double b=1.1;
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		System.out.println(VM.current().details());
		ArrayList<Person> list=new ArrayList<Person>();
		new Thread(()->{
			for(int i=0;i<100;i++)
			{
				Person person=new Person();
				synchronized (person) {
					list.add(person);
				}
			}
			try {
				Thread.sleep(10000);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		,"thread1").start();
		Thread.sleep(3000);
		new Thread(()->{
			for(int i=0;i<30;i++)
			{
				Person person=list.get(i);
				synchronized (person) {
					if(i==17||i==18||i==19||i==21)
					{
						System.out.println("第"+(i+1)+"次偏向結(jié)果：");
						System.out.println(ClassLayout.parseInstance(person).toPrintable());
					}
				}
			}
		}
		,"thread2").start();
	}
}
class Person{
}

在這里插入圖片描述

結(jié)果分析：

先用線程1創(chuàng)建了100個(gè)對象鎖，這些對象鎖都偏向于線程1，后面創(chuàng)建線程2去爭奪這些鎖，前19次線程2都是搶占失敗獲得輕量級鎖（失敗過程中閾值增加），第20次搶占時(shí)達(dá)到閾值20，這時(shí)JVM會(huì)認(rèn)為自己是不是不應(yīng)該偏向線程1，于是之后開始偏向線程2，線程2之后獲得的都是偏向鎖

第1-19個(gè)對象由于線程2在搶占過程中變?yōu)檩p量級鎖，鎖釋放后變?yōu)闊o鎖狀態(tài)
第20-30個(gè)對象觸發(fā)批量重定向，鎖釋放后依舊偏向線程2
第31-100個(gè)對象依然和開始一樣偏向線程1，鎖釋放后依舊偏向線程1

批量撤銷解決的問題:

存在明顯多線程競爭的場景下使用偏向鎖是不合適的，例如生產(chǎn)者/消費(fèi)者隊(duì)列

package innerlock;
import java.util.ArrayList;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.vm.VM;
public class InnerLockTest {
	int a=1;
	double b=1.1;
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		System.out.println(VM.current().details());
		ArrayList<Person> list=new ArrayList<Person>();
		new Thread(()->{
			for(int i=0;i<100;i++)
			{
				Person person=new Person();
				synchronized (person) {
					list.add(person);
				}
			}
			try {
			//為了防止JVM線程復(fù)用，在創(chuàng)建完對象后，保持線程t1狀態(tài)為存活
				Thread.sleep(10000);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		,"thread1").start();
		Thread.sleep(3000);
		new Thread(()->{
			for(int i=0;i<40;i++)
			{
				Person person=list.get(i);
				synchronized (person) {
					if(i==18||i==19||i==39||i==41)
					{
						System.out.println("t2  第"+(i+1)+"次偏向結(jié)果：");
						System.out.println(ClassLayout.parseInstance(person).toPrintable());
					}
				}
			}
			try {
				Thread.sleep(10000);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		,"thread2").start();
		Thread.sleep(3000);
		new Thread(()->{
			for(int i=20;i<40;i++)
			{
				Person person=list.get(i);
				synchronized (person) {
					if(i==20||i==39)
					{
						System.out.println("t3   第"+(i+1)+"次偏向結(jié)果：");
						System.out.println(ClassLayout.parseInstance(person).toPrintable());
					}
				}
			}
		}
		,"thread3").start();
		Thread.sleep(1000);
		System.out.println("新創(chuàng)建對象:"+ClassLayout.parseInstance(new Person()).toPrintable());
	}
}
class Person{
}

在這里插入圖片描述

做法：

以class為單位，為每個(gè)class維護(hù)一個(gè)偏向鎖撤銷計(jì)數(shù)器，每一次該class的對象發(fā)生偏向撤銷操作時(shí)，該計(jì)數(shù)器+1，當(dāng)這個(gè)值達(dá)到重偏向閾值默認(rèn)20時(shí)，JVM就認(rèn)為該class的偏向鎖有問題，因此會(huì)進(jìn)行批量重偏向。每個(gè)class對象會(huì)有一個(gè)對應(yīng)的epoch字段，每個(gè)處于偏向鎖狀態(tài)對象的mark word中也有該字段，其初始值為創(chuàng)建該對象時(shí)，class中的epoch的值。每次發(fā)生批量重偏向時(shí)，就將該值+1，同時(shí)遍歷JVM中所有線程的棧，找到該class所有正處于加鎖狀態(tài)的偏向鎖，將其epoch字段改為新值。下次獲得鎖時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前對象的epoch值和class的epoch不相等，那就算當(dāng)前已經(jīng)偏向了其他線程，也不會(huì)執(zhí)行撤銷操作，而是直接通過CAS操作將其mark word的Thread Id 改成當(dāng)前線程Id

當(dāng)達(dá)到重偏向閾值后，假設(shè)該class計(jì)數(shù)器繼續(xù)增長，當(dāng)其達(dá)到批量撤銷的閾值后（默認(rèn)40），JVM就認(rèn)為該class的使用場景存在多線程競爭，會(huì)標(biāo)記該class為不可偏向，之后，對于該class的鎖，直接走輕量級鎖的邏輯

小結(jié)：

在這里插入圖片描述

3. 偏向鎖的膨脹

如果偏向鎖被占據(jù)，一旦有第二個(gè)線程爭搶這個(gè)對象，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)對象鎖上已經(jīng)存在競爭了。JVM檢查原來持有該對象鎖的占有線程是否依然存活，如果掛了，就可以將對象變?yōu)闊o鎖狀態(tài)，然后進(jìn)行重新偏向，偏向搶鎖線程。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)生鎖競爭，撤銷原來的偏向鎖，將偏向鎖膨脹（INFLATING）為輕量級鎖