Synchronized-偏向锁

谁践踏了优雅 2023-09-23 18:28 155阅读 0赞

### 偏向锁是什么？ ###

是jdk1.6引入的一种锁优化方式。让 锁对象 偏心于第一次获取锁的线程，记住它的id，当下一次再有线程获取锁的时候，与记录的ID匹配，直接获取锁就行。是一种`load-and-test`的过程。

### 引入目的？ ###

基础库中很多类为了线程安全，添加了`synchronized`进行同步，保证线程安全。很多时候，我们在使用这些类的对象时，都是单线程进行访问。轻量级锁的获取锁和释放锁涉及多次CAS操作，而偏向锁只依赖一次CAS。比轻量级锁更加轻量。

JDK1.6默认开启，JDK15后默认关闭，可以通过`-XX:-UseBiasedLocking`进行配置启用还是禁用。

#### 优点 ####

*  加锁解锁无需额外的消耗，和非同步方法时间相差纳秒级别

#### 缺点 ####

*  如果存在多个线程同时访问该锁对象，则会带来额外的锁撤销的消耗。

### 对象状态 ###

以下状态默认为开启偏向锁配置

#### 对象创建 ####

当开启偏向锁时，类的`prototype_header`中的锁标志位为`01`，是否可偏向`locked_bias`为`1`，thread id为`0`，表示匿名偏向（anonymously biased)。

出于性能的考虑，在JVM启动后的头4秒，偏向锁配置是关闭的，`locked_bias`为`0`，以禁止实例化对象被偏向。4秒后，`prototype_header.locked_bias`会重新设置为`1`，新的对象就可以被偏向绑定了。

可通过`-XX:BiasedLockingStartupDelay=0`将延迟改为0。即偏向锁设置在JVM一启动就生效。

#### 锁状态 ####

未绑定不可偏向

此时`locked_bias`为0，如果有线程获取此锁，会升级为轻量级锁，如果有多个线程尝试获取此锁，会升级成重量级锁。

![format_png][]

什么时候会变成此状态呢？

*  计算对象的`hashCode`，调用`Object.hashCode`或`System.identityHashCode(Object)`

*   *  对象的`hashCode`并不是一创建就计算好的，而是在调用`hashCode`方法后，才存储在对象头中的。
     *  一旦对象进行`hashCode`计算，都会从可偏向状态转为此状态。如果正在偏向，则会发生锁撤销操作。

*  偏向锁被禁用

*   *  jvm参数`-XX:-UseBiasedLocking`将偏向锁禁用
     *  jvm启动头4秒
     *  发生批量锁撤销后

*   *   *  当该类所有对象发生锁撤销的次数达到40次后，会触发批量锁撤销。将`prototype_header`中的`locked_bias`设置为0，并对所有该类对象触发锁撤销操作。以后新创建的对象，都是不可偏向的状态。

*  偏向锁被撤销

*   *  当锁对象已偏向某个线程，此时有另外一个线程来访问该锁对象，且不可重偏向则会发生锁撤销。
     *  批量锁撤销时

可偏向

`locked_bias`为`1`

匿名偏向

![format_png 1][]

当`Mark Word`中的`Thread ID`偏向线程为`0`时，为匿名偏向。

意味着该锁还没有偏向于任何线程。第一个试图获得锁的线程，使用`CAS`指令就可将线程绑定在此锁对象上。

这是允许偏向对象的初始状态。

已偏向

![format_png 2][]

`Thread ID`不为空，且对象头的`Mark Word.epoch`与`Klass._prototype_header.epoch`相等。表示当前锁已偏向于某个线程，并且不可重偏向。如果当前线程不是锁对象偏向的线程，则触发锁撤销。升级成轻量级锁。

可重偏向

![format_png 3][]

`Thread ID`不为空，但是对象头的`Mark Word.epoch`与`Klass._prototype_header.epoch`不相等。代表当前锁对象的偏向已过期，可进行重偏向。使用`CAS`将新线程绑定于当前锁对象。

### 加锁过程 ###

![format_png 4][]

1.  验证`Mark Word.locked_bias`位

1.  1.  为`0`，不可偏向，升级为轻量级锁

1.  验证`Klass.prototype_header.locked_bias`位

1.  1.  为`0`，则该类所有对象全部不允许偏向，需要重置该类所有对象的`locked_bias`位，该类所有对象`Mark Word`替换为无锁标识，当前对象升级为轻量级锁。

1.  比较对象和原型`epoch`位，即`Mark Word.epoch == Klass._prototype_header.epoch`

1.  1.  不想等，代表该锁的偏向已过期，可进行重偏向。进行重偏向获取偏向锁。
    2.  相等，代表该锁已偏向某个线程。继续第4步重入或者升级为轻量级锁

1.  检验`owner`线程  
    比较偏向线程id和当前线程id

1.  1.  匹配，进行重入锁，向当前线程栈中写入一条`Displaced Mark Word`为空，`Owner`指向锁对象的`Lock Record`。
    2.  不匹配，使用CAS进行线程替换(0->当前线程)。如果替换失败，需要进行线程撤销，替换`Mark Word`为无锁状态，并升级为轻量级锁。根据偏向线程是否还在执行同步代码块，判断是哪个线程获取升级后的轻量级锁。

1.  1.  1.  偏向线程正在执行同步代码块，则偏向线程获取该锁。
        2.  偏向线程未处于活动状态或退出同步代码块，则当前线程获取轻量级锁。

### 解锁过程 ###

偏向锁加锁，会向获取到锁的线程栈中插入一条`Lock Record`，其中的属性`Displaced Mark Word`为null，`Owner`指向当前锁对象。

偏向锁的解锁，是将线程栈中的`Lock Record.Owner`设置为`null`即为解锁。

![format_png 5][]

![format_png 6][]

### 锁撤销 ###

1.  将`Mark word`设置为无锁状态，并升级为轻量级锁。

1.  1.  如果偏向线程还在执行同步代码块，则偏向线程获取该轻量级锁，当前线程进行轻量级锁升级重量级锁的自旋等待。
    2.  如果偏向线程已执行完同步代码块或未处于活动状态，则当前线程获取升级后的轻量级锁。

### 批量重偏向 ###

bulk rebias

避免短时间内大量偏向锁的撤销。例如一个线程创建了大量对象并执行了初始的同步操作，后来另一个线程也来将这些对象作为锁对象进行操作，这样会导致大量的偏向锁撤销操作。当执行批量重偏向后，如果原偏向锁持有者线程不再执行同步块，则锁可以偏向于新线程。

在`Klass`中维护了一个偏向锁撤销计数器`revocation_count`，每次该类的对象发生偏向锁撤销操作时，该计数器+1，当达到阈值20时，JVM会认为该偏向锁存在问题，给该偏向锁一个重偏向的机会。将`Klass.prototype_header.epoch`\+1。并会对该类的所有对象的偏向状态进行初始化。

*  如果该对象的偏向线程当前持有该锁对象，则更新`mark word.epoch`=`_prototype_header.epoch`,表示该锁对象已偏向。
 *  其他对象不更新，表示该对象偏向已过期，可进行重新偏向。

### 批量锁撤销 ###

当`revocation_count`达到阈值40时，JVM认为该偏向锁，存在多线程竞争关系。

但是在彻底禁用偏向锁之前，JVM还给了一次改过自新的机会，存在另外一个计时器`BiasedLockingDecayTime = 25000`

1.  如果在距离上次批量重偏向发生的 25 秒之内，并且累计撤销计数达到40，就会发生批量撤销（偏向锁彻底 game over）
2.  如果在距离上次批量重偏向发生超过 25 秒之外，那么就会重置在`[20,40)`内的计数, 再给次机会。

禁用偏向锁过程：更新`klass._prototype_header.locked_bias`为0，之后对于该class对象的锁，直接走轻量级锁逻辑。

### 如何查询Mark Word ###

1.  openjdk提供了一个库查看内存布局工具`JOL(Java object layout)`[JOL maven 仓库地址][JOL maven]

<dependency>
        <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
        <artifactId>jol-core</artifactId>
        <version>0.16</version>
    </dependency>
    复制代码

1.  其中`ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable()`可以打印出`Mark word`信息。查看锁状态。

#### 示例 ####

package com.learn.project;
    
    import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
    
    /**
     * MarkWordTest
     *
     * @author chenfuyuan
     * @date 2022/12/10 19:01
     */
    public class MarkWordTest {
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            User initBeforeBiasSetting = new User();
            System.out.println("设置可偏向之前:"+ printClassLayout(initBeforeBiasSetting));
            Thread.sleep(5000L);
            User initAfterBiasSetting = new User();
            System.out.println("设置可偏向之后:"+ printClassLayout(initAfterBiasSetting));
            synchronized (initAfterBiasSetting) {
                //进入同步代码块
                System.out.println("进入同步代码块，进行偏向绑定:" + printClassLayout(initAfterBiasSetting));
            }
            Thread thread01 = new Thread(() -> {
                synchronized (initAfterBiasSetting) {
                    System.out.println("被另外一个线程调用后(thread):" + printClassLayout(initAfterBiasSetting));
                }
            });
            thread01.start();
            Thread.sleep(1000L);
            System.out.println("被另外一个线程调用后(main):" + printClassLayout(initAfterBiasSetting));
        }
    
        private static String printClassLayout(Object obj) {
            return ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable();
        }
    }
    
    
    ===================输出=================
    /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/bin/java -javaagent:/Users/chenfuyuan/Library/Application Support/JetBrains/Toolbox/apps/IDEA-U/ch-0/223.7571.182/IntelliJ IDEA.app/Contents/lib/idea_rt.jar=58794:/Users/chenfuyuan/Library/Application Support/JetBrains/Toolbox/apps/IDEA-U/ch-0/223.7571.182/IntelliJ IDEA.app/Contents/bin -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/deploy.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/cldrdata.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/dnsns.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/jaccess.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/jfxrt.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/localedata.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/nashorn.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/sunec.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/sunjce_provider.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/sunpkcs11.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/zipfs.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/javaws.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/jce.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfr.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfxswt.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/management-agent.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/plugin.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/resources.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_333.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar:/Users/chenfuyuan/code/learn/java/learn-jdk/learn-juc/target/classes:/Users/chenfuyuan/resource/maven_repository/learn/org/openjdk/jol/jol-core/0.16/jol-core-0.16.jar com.learn.project.MarkWordTest
    # WARNING: Unable to attach Serviceability Agent. You can try again with escalated privileges. Two options: a) use -Djol.tryWithSudo=true to try with sudo; b) echo 0 | sudo tee /proc/sys/kernel/yama/ptrace_scope
    设置可偏向之前:com.learn.project.User object internals:
    OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
      0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
      8   4        (object header: class)    0xf800c143
     12   4        (object alignment gap)    
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
    
    设置可偏向之后:com.learn.project.User object internals:
    OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
      0   8        (object header: mark)     0x0000000000000005 (biasable; age: 0)
      8   4        (object header: class)    0xf800c143
     12   4        (object alignment gap)    
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
    
    进入同步代码块，进行偏向绑定:com.learn.project.User object internals:
    OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
      0   8        (object header: mark)     0x00007fe28f809005 (biased: 0x0000001ff8a3e024; epoch: 0; age: 0)
      8   4        (object header: class)    0xf800c143
     12   4        (object alignment gap)    
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
    
    被另外一个线程调用后(thread):com.learn.project.User object internals:
    OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
      0   8        (object header: mark)     0x00000003061f89e8 (thin lock: 0x00000003061f89e8)
      8   4        (object header: class)    0xf800c143
     12   4        (object alignment gap)    
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
    
    被另外一个线程调用后(main):com.learn.project.User object internals:
    OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
      0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
      8   4        (object header: class)    0xf800c143
     12   4        (object alignment gap)    
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
    
    
    Process finished with exit code 0
    复制代码

### 注意事项 ###

1.  必须调用Object.hashCode才会进行锁撤销。重载的`hashCode`方法无法触发锁撤销。
2.  在同步代码块中调用`hashCode`，锁对象会直接升级成重量级锁。
    
    ![format_png 7][]

### 待补充的知识 ###

*  轻量级锁
 *  重量级锁
 *  安全点 safe point

[format_png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/3975f9e5072cc7d758cab5ef549f56df.webp?x-oss-process=image/format,png
[format_png 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/58c5b4b863a27df042e19650b50078a6.webp?x-oss-process=image/format,png
[format_png 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/a9ba6c724caeba0ef0412ab6da592c30.webp?x-oss-process=image/format,png
[format_png 3]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/9e619f28890c8ae2ab0cf012e3df2d5a.webp?x-oss-process=image/format,png
[format_png 4]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/ed6cea989d68e1250660efba242b1355.webp?x-oss-process=image/format,png
[format_png 5]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/3704098a7be780ca28622aa2000d1127.webp?x-oss-process=image/format,png
[format_png 6]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/6e399b978e05d7cc85192fa43d5473d6.webp?x-oss-process=image/format,png
[JOL maven]: https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Fmvnrepository.com%2Fartifact%2Forg.openjdk.jol%2Fjol-core
[format_png 7]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/91b1bf5796048bc88819e3444cb1d24d.webp?x-oss-process=image/format,png