30分钟彻底弄懂 synchronized 锁升级过程

心已赠人 2023-09-28 19:47 13阅读 0赞

在Java的并发编程领域中，我们进行会使用到锁这个东西，例如在多线程环境下为了预防某些线程安全问题，这里面可能会产生一些预想不到的问题，所以下边我整理了一系列关于JDK中锁的问题，帮助大家更加深入地了解它们。

### synchronized真的是重量级锁嘛？ ###

这个问题相信大部分人在面试的时候都有遇到过，答案是否定的。这个要看JDK的版本来进行判断。如果JDK的版本在1.5之前使用`synchronized`锁的原理大概如下：

1.  给需要加锁的资源前后分别加入一条“`monitorenter`”和“`monitorexit`”指令。
2.  当线程需要进入这个代码临界区的时候，先去参与“抢锁”（本质是获取monitor的权限）
3.  抢锁如果失败，就会被阻塞，此时控制权只能交给操作系统，也就会从 `user mode` 切换到 `kernel mode`, 由操作系统来负责线程间的调度和线程的状态变更, 需要频繁的在这两个模式下切换（上下文转换）。

可以看出，老模式的条件下去获取锁的开销是比较大的，所以后来JDK的作者才会在JDK中设计了Lock接口，采用CAS的方式来实现锁，从而提升性能。

但是当竞争非常激烈的时候，采用CAS的方式有可能会一直获取不到锁的话，不管进行再多的CAS也是在浪费CPU，这种状态下的性能损耗会比`synchronized`还要高。所以这类情况下，不如直接升级加锁的方式，让操作系统介入。

正因为这样，所以后边才会有了锁升级的说法。

### synchronized的锁升级 ###

#### 偏向锁 ####

在`synchronized`进行升级的过程中，第一步会升级为偏向锁。所谓偏向锁，它的本质就是让锁来记住请求的线程。

在大多数场景下，其实都是单线程访问锁的情况偏多，JDK的作者在重构`synchronized`的时候，给对象头设计了一个bit位，专门用于记录锁的信息，具体我们可以通过下边这个实际案例来认识下：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object o = new Object();
        System.out.println("还没有进入到同步块");
        System.out.println("markword:" + ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
        //默认JVM启动会有一个预热阶段，所以默认不会开启偏向锁
        Thread.sleep(5000);
        Object b = new Object();
        System.out.println("还没有进入到同步块");
        System.out.println("markword:" + ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());
        synchronized (o){
            System.out.println("进入到了同步块");
            System.out.println("markword:" + ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
        }
    }

注意要引入一些第三方的依赖，辅助我们查看对象头的信息：

<dependency>
        <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
        <artifactId>jol-core</artifactId>
        //这个版本号的不同，查看的内容格式也不同
        <version>0.16</version>
    </dependency>

控制台输出的结果如下：

还没有进入到同步块
    # 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
    markword:java.lang.Object object internals:
    OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
      0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
      8   4        (object header: class)    0xf80001e5
     12   4        (object alignment gap)    
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
    
    
    还没有进入到同步块
    markword:java.lang.Object object internals:
    OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
      0   8        (object header: mark)     0x0000000000000005 (biasable; age: 0)
      8   4        (object header: class)    0xf80001e5
     12   4        (object alignment gap)    
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
    
    
    进入到了同步块
    markword:java.lang.Object object internals:
    OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
      0   8        (object header: mark)     0x00007000050ee988 (thin lock: 0x00007000050ee988)
      8   4        (object header: class)    0xf80001e5
     12   4        (object alignment gap)    
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

这个案例中，如果你仔细观察控制台的内容，可以发现，当JVM刚启动的时候，对象头部的锁标志位是无锁状态。但是过了一整子（大概4秒之后），就会变成一个biasable的状态。如果需要调整这个延迟的时间，可以通过参数 `-XX:BiasedLockingStartupDelay=0` 来控制。

这里我解释下`biasable`的含义：

> biasable是JVM帮我们设置的状态，在这种状态下，一旦有线程访问锁，就会直接CAS修改对象头中的线程id。如果成功，则直接升级为偏向锁。否则就会进入到锁的下一个状态--轻量级锁。

ps：JVM因为在启动预热的阶段中，会有很多步骤使用到`synchronized`，所以在刚启动的前4秒中，不会直接将`synchronized`锁的标记升级为`biasable`状态。这是为了较少一些无必要的性能损耗。

#### 轻量级锁 ####

当锁被一个线程访问的时候，它会变成偏向锁的状态，那么当新的线程再次访问该锁的时候，锁会有什么变化吗？

这