synchronized锁升级过程

亦凉 2022-10-22 06:27 199阅读 0赞

# JAVA虚拟机对synchronized的优化 #

## 对象头与monitor ##

### MarkWord区 ###

是存在在JAVA对象头中的一个区域大小为8字节  
里面包含了  
1.锁信息  
2.GC信息  
3.HashCode(如果有调用)

public class Demo1 {
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            Object o = new Object();
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
            synchronized (o) {
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
            }
        }
    }

输出

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjkwNjQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70]

加锁后，对象头上的MarkWord被改变

### 1.无锁 ###

在MarkWord中锁标志位为 001

![在这里插入图片描述][2020052917440269.png]

通过代码验证

public class Demo {
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            Object o = new Object();
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());     
        }
    }

这段代码通过JOL工具打印出来是 最后2位是00，正好对应上面的无锁

![在这里插入图片描述][20200529174832281.png]

## 2.偏向锁（用户空间完成） ##

在MarkWord中锁标志位为 101

![在这里插入图片描述][20200529174418837.png]

### 2.1为什么有会偏向锁？ ###

public class Demo1 {
       private static int i = 1;
        public void inc(){
            synchronized (Demo1.class) {
                i++;
            }
        }
    }

上面这段代码，假设你并发量不高，可能inc()并不会并发执行，但是以防万一，所以你为了保证i++没有并发安全问题于是你加了synchronized 关键字保证安全，如果没有竞争情况下使用可以就是一个偏向锁，因为没有竞争所以没有必要使用轻量锁、重量锁。

## 2.2偏向锁原理 ##

当没有并发竞争的情况下：  
因为你的系统并发并不高，synchronized 的互斥机制一次都没有被触发过，也就是没有同一个时刻去执行i++,所以synchronized 认为你现在并没有出现竞争的情况，一直是单线程执行，它把当前执行这段代码的线程的指针放到对象头中，表示有一个线程在干活，并且设置为偏向锁，偏向这个线程。当这个线程执行完成后，另外一个线程来了，再把当前线程指针去覆盖上次的线程指针，以上是在没有并发竞争的情况下的逻辑。

当存在并发竞争的情况下：  
此时synchronized 有多线程进行竞争了，这是多个线程都把想自己的线程指针放到对象头中让自己区执行，这个时候偏向锁会触发“ 撤销偏向锁”，还原对象MackWord区域为无锁状态，用到CAS去决定，谁可以把自己的线程指针到对象头中，谁就是抢到这把锁了，这个时候升级成一个轻量级锁 (又称：自旋锁/CAS/无锁) 。

## 2.3偏向锁的延迟启动 ##

在创建一个对象后，这个对象头的标志位为 001，是个无锁状态，但是等待4秒之后在创建一个对象，则是对象头是一个偏向锁状态，标志位为 101。  
为什么怎么做？  
JVM启动的时候一定是用到了多线程，所以明确的知道资源会出现竞争的情况，必然出现锁撤销，升级到轻量锁，所以前4秒直接禁用偏向锁。  
那前4秒不禁用偏向锁呢？  
使用偏向锁竞争激烈然后触发 “ 撤销偏向锁” ，还原对象MackWord区域为无锁状态，锁升级到轻量级锁。经历这一套流程最后还是会到轻量锁，“ 撤销偏向锁” 和还原对象MackWord区域也是一个消耗资源的地方，所以前4秒禁用偏向锁，使用轻量级锁。

**可以通过JVM参数 -XX:BiasedLockingStartupDelau 设置延迟多少秒启动偏向锁,默认是4**

public class Demo1 {
        public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
            Object o = new Object();
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
            Thread.sleep(5000);
            Object o1 = new Object();
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o1).toPrintable());
        }
    }

输出

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjkwNjQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## 3.轻量级锁（用户空间完成） ##

在MarkWord中锁标志位为 00

![在这里插入图片描述][20200529175840321.png]

public class Demo {
    	public static void main(String[] args) throws IOException {
            Object o = new Object();
            synchronized (o) {
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
     		}
        }
    }

这段代码通过JOL工具打印出来是 最后2位是00，正好对应上面的轻量级锁

![在这里插入图片描述][20200529174931498.png]

## 3.1轻量级锁原理 ##

此时的轻量级锁由一个偏向锁升级而来，当前有一个线程持有了锁，其他线程就去进行自旋做CAS操作，其他线程就一直尝试使用CAS把自己的线程指针给放到对象头中，当持有锁的线程执行完后，其他在进行CAS操作的线程，某一个线程使用CAS成功把自己线程指针给放到对象头中。  
但是，如果抢到锁的那个线程执行的时候很长，一直不释放锁，其他线程一直在自旋做CAS操作，一直拿不到锁，疯狂占用CPU资源。所以一直等下去不是办法，这时就升级到了重量级锁  
升级条件  
1.6自旋超过10次或超出CPU核数的2/1，并且有参数可以调整  
1.7之后使用的是自适应自选，由JVM根据历史数据自己去计算应该自旋多少次升级

## 4.重量级锁（内核申请） ##

在MarkWord中锁标志位为 10

![在这里插入图片描述][2020052917592094.png]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjkwNjQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

## 4.1.重量级锁原理 ##

因为竞争太过于激烈，总不能一直让CAS做无用的自选，所以为了减少系统资源浪费，升级到了重量级锁，把等待的线程放到等待队列（把线程冻结了），不消耗CPU资源

## 5.锁升级过程总结 ##

偏向锁升级到轻量锁：只要出现了竞争锁就升级到轻量锁  
偏向锁升级到重量锁：线程中调用wait方法，当前线程阻塞，被丢到线程等待队列中，升级为总量锁  
轻量锁升级到重量锁：轻量锁自旋超过一定次数升到到重量锁，这个次数由JVM自适应自旋计算出来的

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjkwNjQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

## 6.常见问题 ##

1.  偏向锁的效率一定比自旋锁效率高吗？并不是  
    当你明确的知道你的加锁资源会出现竞争的情况，那么给它设置偏向锁是多余了，直接就应该是设置为一个轻量锁(自旋锁)，

## 7.锁状态图 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjkwNjQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjkwNjQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221022/184f7c9d118f4fe2b3afade42ad38efd.png
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