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JAVA偏向鎖的原理與實戰(zhàn)

更新時間：2022年03月14日 14:42:03 作者：CodePanda@GPF

這篇文章主要為大家詳細介紹了JAVA偏向鎖的原理與實戰(zhàn)，文中示例代碼介紹的非常詳細，具有一定的參考價值，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線程獲得了鎖，那么鎖就進入偏向狀態(tài)，此時Mark Word的結構變?yōu)槠蜴i結構，鎖對象的鎖標志位（lock）被改為01，偏向標志位（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判斷一下線程ID和標志位，就可以直接進入同步塊，連CAS操作都不需要，這樣就省去了大量有關鎖申請的操作，從而也就提升了程序的性能。

關鍵點：無競爭

缺點：如果鎖對象時常被多個線程競爭，偏向鎖就是多余的，并且其撤銷的過程會帶來一些性能開銷

2. 偏向鎖代碼演示

偏向鎖是默認是延遲的，不會在程序啟動時立即生效，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），然后膨脹到輕量級鎖

1. 偏向鎖的撤銷

1.在一個安全點停止擁有鎖的線程

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)，并修復鎖記錄指向的Mark Word，清除其線程ID

3.將當前鎖升級成輕量級鎖

4.喚醒當前線程

撤銷偏向鎖的條件(滿足其一即可)：

1.多個線程競爭偏向鎖

2.調用偏向鎖對象的hashcode()方法或者System.identityHashCode()方法計算對象的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，之后在另一個線程中將這些對象作為鎖進行之后的操作。這種case下，會導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)+"次偏向結果：");
						System.out.println(ClassLayout.parseInstance(person).toPrintable());
					}
				}
			}
		}
		,"thread2").start();
	}
}
class Person{
}

在這里插入圖片描述

結果分析：

先用線程1創(chuàng)建了100個對象鎖，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次搶占時達到閾值20，這時JVM會認為自己是不是不應該偏向線程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/消費者隊列

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class維護一個偏向鎖撤銷計數(shù)器，每一次該class的對象發(fā)生偏向撤銷操作時，該計數(shù)器+1，當這個值達到重偏向閾值默認20時，JVM就認為該class的偏向鎖有問題，因此會進行批量重偏向。每個class對象會有一個對應的epoch字段，每個處于偏向鎖狀態(tài)對象的mark word中也有該字段，其初始值為創(chuàng)建該對象時，class中的epoch的值。每次發(fā)生批量重偏向時，就將該值+1，同時遍歷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，發(fā)現(xiàn)當前對象的epoch值和class的epoch不相等，那就算當前已經(jīng)偏向了其他線程，也不會執(zhí)行撤銷操作，而是直接通過CAS操作將其mark word的Thread Id 改成當前線程Id

當達到重偏向閾值后，假設該class計數(shù)器繼續(xù)增長，當其達到批量撤銷的閾值后（默認40），JVM就認為該class的使用場景存在多線程競爭，會標記該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：

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)，一旦有第二個線程爭搶這個對象，因為偏向鎖不會主動釋放，所以第二個線程可以看到內(nèi)置鎖偏向狀態(tài)，這時表明在這個對象鎖上已經(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，就進一步檢查占有線程的調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