java八股文面试[多线程]——synchronized锁升级过程

我就是我 2024-03-24 23:20 110阅读 0赞

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速记：偏向-轻量-重量

### **锁膨胀** ###

上面讲到锁有四种状态，并且会因实际情况进行膨胀升级，其膨胀方向是：**无锁——>偏向锁——>轻量级锁——>重量级锁**，并且膨胀方向**不可逆**

**一.锁升级理论.**  
在synchronized锁升级过程中涉及到以下几种锁.先说一下这几种锁是什么意思.

偏向锁:**只有一个线程**争抢锁资源的时候.将线程拥有者标识为当前线程.  
轻量级锁(自旋锁):**一个或多个线程**通过CAS去争抢锁,如果抢不到则一直自旋.  
重量级锁:多个线程争抢锁,向内核申请锁资源,将**未争抢成功的锁**放到队列中直接阻塞.

**为什么要有锁的升级过程**?  
在最开始的时候,其实就是无锁直接到重量级锁,但是重量级锁需要**向内核申请额外的锁资源**,这就涉及到**用户态和内核态的转换**,比较浪费资源,而且大多数情况下,其实还是一个线程去争抢锁,完全不需要重量级锁.

**锁的具体升级过程(通常情况下):**

1.当只有一个线程去争抢锁的时候,会先使用偏向锁,就是给一个标识,说明现在这个锁被线程a占有.  
2.后来又来了线程b,线程c,说凭什么你占有锁,需要公平的竞争,于是将标识去掉,也就是撤销偏向锁

3.升级为轻量级锁,三个线程通过CAS进行锁的争抢(其实这个抢锁过程还是偏向于原来的持有偏向锁的线程).现在线程a占有了锁,线程b,线程c一直在循环尝试获取锁,后来又来了十个线程,一直在自旋,那这样等着也是**干耗费CPU资源**,所以就将锁升级为重量级锁,向内核申请资源,直接将等待的线程进行阻塞.  
锁升级的过程如下所示:

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBAVG1p_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

**什么情况下偏向锁才会升级为轻量级锁,什么时候轻量级锁才会升级为重量级锁?**

只有一个线程的时候就是偏向锁(当偏向锁开启的时候,偏向锁默认开启),当争抢的线程**超过一个**,升级为轻量级锁.  
当自旋的线程循环**超过10次**,或者线程**等待的数量超过cpu的1/2**,升级为重量级锁.其实轻量级锁就适用于那种执行任务很短的线程,可能通过一两次自旋,就能够获取到锁.  
开启偏向锁一定比轻量级锁高效吗?  
不一定,比如在一开始已经知道某个资源就需要被多个线程争抢,此时就不需要开启偏向锁,因为偏向锁给了标识之后,还需要**取消这个标识**,重新抢锁,比如在JVM中,偏向锁默认是**延迟4秒**才开始的,因为JVM在启动的时候需要多个线程竞争资源,并且这个都是一开始知道的.

**对象在内存中的内存布局**  
在堆中,一个对象会包含以下四个部分:

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBAVG1p_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]

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1.  实例数据：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息；
2.  对齐填充：由于虚拟机要求 对象起始地址必须是**8字节的整数倍**。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐；
3.  对象头：Java对象头一般占有**2个机器码（**在32位虚拟机中，**1个机器码等于4字节**，也就是32bit，在64位虚拟机中，**1个机器码是8个字节**，也就是64bit），但是 如果对象是数组类型，则需要**3个**机器码，因为JVM虚拟机可以通过Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是无法从数组的元数据来确认数组的大小，所以用一块来记录数组**长度**。

Synchronized用的锁就是存在Java对象头里的

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我们如果使用synchronized对某个对象进行加锁,就会体现在**mark word区域.**在**最低两个字节**加以标识.  
如下如所示:

下图是Java对象头 无锁状态下Mark Word部分的存储结构（32位虚拟机）： 25+4+1+2=32

![1216d4170ef84823aab1763730dd2ea0.png][]

Mark Word存储结构

对象头信息是与对象自身定义的数据**无关的额外存储成本**，但是考虑到虚拟机的**空间效率**，Mark Word被设计成一个**非固定的数据结构**以便在极小的空间内存存储尽量多的数据，它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说，Mark Word会随着程序的运行发生变化，可能变化为存储以下4种数据：

![94be12ecd7084500a1bcd8b4f2f35461.png][]

轻量级锁 对应 00

重量级锁 对应 10  
  
**无锁和偏向锁都对应01**,这个时候需要**倒数第三个字节**加以区分,即 无锁 对应 **001**, 偏向锁 对应 **101**

Mark Word**可能存储4种数据**

在64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的，其存储结构如下：

![format_png][]

64位Mark Word存储结构

对象头的最后两位存储了**锁的标志位**，01是初始状态，未加锁，其对象头里存储的是对象**本身的哈希码**，随着锁级别的不同，对象头里会存储不同的内容。偏向锁存储的是**当前占用此对象的线程ID**；而轻量级则存储指向**线程栈中锁记录的指针**。从这里我们可以看到，“**锁”**这个东西，可能是个**锁记录+对象头里的引用指针**（判断线程是否拥有锁时将线程的锁记录地址和对象头里的指针地址比较)，**也可能是对象头里的线程ID**（判断线程是否拥有锁时将线程的ID和对象头里存储的线程ID比较）。

![format_png 1][]

### 对象头中Mark Word与线程中Lock Record ###

在线程进入**同步代码块的时候**，如果此同步对象没有被锁定，即它的锁标志位是01，则虚拟机首先在**当前线程的栈**中创建我们称之为“**锁记录**（Lock Record）”的空间，用于**存储锁对象的Mark Word的拷贝**，官方把这个拷贝称为**Displaced** Mark Word。整个Mark Word及其拷贝至关重要。

**Lock Record是线程私有的数据结构**，**每一个线程**都有一个可用Lock Record列表，同时还有一个**全局**的**可用列表**。每一个**被锁住的对象**Mark Word都会和一个Lock Record**关联**（对象头的MarkWord中的**Lock Word**指向Lock Record的**起始地址**），同时Lock Record中有一个**Owner字段**存放拥有该锁的**线程的唯一标识**（或者`object mark word`），表示该锁被这个线程占用。如下图所示为Lock Record的内**部结构**：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>Lock Record</th> 
   <th>描述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>Owner</td> 
   <td>初始时为NULL表示当前没有任何线程拥有该monitor record，当线程成功拥有该锁后保存线程唯一标识，当锁被释放时又设置为NULL；</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>EntryQ</td> 
   <td>关联一个系统互斥锁（semaphore），阻塞所有试图锁住monitor record失败的线程；</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>RcThis</td> 
   <td>表示blocked或waiting在该monitor record上的所有线程的个数；</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Nest</td> 
   <td>用来实现&nbsp;重入锁的计数；</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>HashCode</td> 
   <td>保存从<strong>对象头</strong>拷贝过来的HashCode值（可能还包含GC age）。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Candidate</td> 
   <td>用来避免不必要的阻塞或等待线程唤醒，因为每一次<strong>只有一个线程</strong>能够成功拥有锁，如果每次前一个释放锁的线程唤醒<strong>所有</strong>正在阻塞或等待的线程，会引起<strong>不必要</strong>的上下文切换（从阻塞到就绪然后因为竞争锁失败又被阻塞）从而导致性能严重下降。Candidate只有两种可能的值0表示没有需要唤醒的线程1表示要唤醒一个继任线程来竞争锁。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

![399d9aa5ad854da2f9363cc98784e060.png][]

其他注意点:  
**并不是一定会**有一个偏向锁->轻量级锁->重量级锁的过程,比如如果出现**严重的耗时操作**(sleep,或者wait等),就会直接由偏向锁升级为重量级锁.

知识来源：

[【并发与线程】Sychronized的偏向锁、轻量级锁、重量级锁\_哔哩哔哩\_bilibili][Sychronized_bilibili]

[【2023年多线程面试】无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁升级过程(多线程面试)\_哔哩哔哩\_bilibili][2023_bilibili]

[synchronized锁升级过程\_程序员bling的博客-CSDN博客][synchronized_bling_-CSDN]

[https://www.cnblogs.com/aspirant/p/11470858.html][https_www.cnblogs.com_aspirant_p_11470858.html]

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[Sychronized_bilibili]: https://www.bilibili.com/video/BV1M24y1z7BR?p=79&vd_source=7ec3a2ec18181a9b64c9a3246305e511
[2023_bilibili]: https://www.bilibili.com/video/BV1Vb4y177wm?p=166&vd_source=7ec3a2ec18181a9b64c9a3246305e511
[synchronized_bling_-CSDN]: https://blog.csdn.net/wangliangluang/article/details/123463618
[https_www.cnblogs.com_aspirant_p_11470858.html]: https://www.cnblogs.com/aspirant/p/11470858.html