[Java知识库] 深入理解 synchronized 关键字（关于对象头和锁的升级）

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[Java知识库]深入理解 synchronized 关键字（关于对象头和锁的升级）

文章目录

- synchronized 关键字

深入理解 volatile 关键字

synchronized 关键字

1. 概述

?先需要明确的?点是：Java多线程的锁都是基于对象的，Java中的每?个对象都可以作为?个锁。
还有?点需要注意的是，我们常听到的类锁其实也是对象锁。Java类只有?个Class对象（可以有多个实例对象，多个实例共享这个Class对象），而Class对象也是特殊的Java对象。所以我们常说的类锁，其实就是Class对象的锁。

说到锁，我们通常会谈到 synchronized 这个关键字。它翻译成中?就是“同步”的意思。
我们通常使? synchronized 关键字来给?段代码或?个?法上锁。它通常有以下三种形式：

	
// 关键字在实例?法上，锁为当前实例
public synchronized void instanceLock() {
 // code
}
// 关键字在静态?法上，锁为当前Class对象
public static synchronized void classLock() {
 // code
}
// 关键字在代码块上，锁为括号??的对象
public void blockLock() {
 Object o = new Object();
 synchronized (o) {
 // code
 }
}

2. synchronized 的四种锁状态

Java 6 为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引?了“偏向锁”和“轻量级锁“。

在Java 6 以前，所有的锁都是”重量级“锁。所以在Java 6 及其以后，?个对象其实有四种锁状态，它们级别由低到?依次是：

?锁状态
偏向锁状态
轻量级锁状态
重量级锁状态

?锁就是没有对资源进?锁定，任何线程都可以尝试去修改它，?锁在这?不再细讲。
?种锁会随着竞争情况逐渐升级，锁的升级很容易发?，但是锁降级发?的条件会?较苛刻，锁降级发?在 Stop The World 期间，当JVM进?安全点的时候，会检查是否有闲置的锁，然后进?降级。

关于锁降级有两点说明：
1.不同于?部分?章说锁不能降级，实际上HotSpot JVM 是?持锁降级的，
2.上?提到的Stop The World期间，以及安全点，这些知识是属于JVM的知识范畴，本?不做细讲。

2.1 Java对象头

前?我们提到，Java的锁都是基于对象的。?先我们来看看?个对象的“锁”的信息是存放在什么地?的。
每个Java对象都有对象头。如果是?数组类型，则?2个字宽来存储对象头如果是数组，则会?3个字宽来存储对象头。在32位处理器中，?个字宽是32位；在64位虚拟机中，?个字宽是64位。对象头的内容如下表：
在这里插入图片描述
我们主要来看看Mark Word的格式：

可以看到，当对象状态为偏向锁时， Mark Word 存储的是偏向的线程ID；当状态为轻量级锁时， Mark Word 存储的是指向线程栈中 Lock Record 的指针；当状态为重量级锁时， Mark Word 为指向堆中的 monitor 对象的指针。

2.2 偏向锁

Hotspot的作者经过以往的研究发现?多数情况下锁不仅不存在多线程竞争，?且总是由同?线程多次获得，于是引?了偏向锁。

偏向锁会偏向于第?个访问锁的线程，如果在接下来的运?过程中，该锁没有被其他的线程访问，则持有偏向锁的线程将永远不需要触发同步。也就是说，偏向锁在资源?竞争情况下消除了同步语句，连CAS操作都不做了，提?了程序的运?性能。

??话就是对锁置个变量，如果发现为true，代表资源?竞争，则?需再?各种加锁/解	
锁流程。如果为false，代表存在其他线程竞争资源，那么就会?后?的流程。

偏向锁实现原理

?个线程在第?次进?同步块时，会在对象头和栈帧中的锁记录?存储锁的偏向的线程ID。当下次该线程进?这个同步块时，会去检查锁的Mark Word??是不是放的??的线程ID。

如果是，表明该线程已经获得了锁，以后该线程在进?和退出同步块时不需要花费CAS操作来加锁和解锁；

如果不是，就代表有另?个线程来竞争这个偏向锁。这个时候会尝试使?CAS来替换Mark Word??的线程ID为新线程的ID，这个时候要分两种情况：

成功，表示之前的线程不存在了， Mark Word??的线程ID为新线程的ID，锁不会升级，仍然为偏向锁；
失败，表示之前的线程仍然存在，那么暂停之前的线程，设置偏向锁标识为0，并设置锁标志位为00，升级为轻量级锁，会按照轻量级锁的?式进?竞争锁。

CAS: Compare and Swap
?较并设置。?于在硬件层?上提供原?性操作。在 Intel 处理器中，?较并
交换通过指令cmpxchg实现。 ?较是否和给定的数值?致，如果?致则修
改，不?致则不修改。

线程竞争偏向锁
在这里插入图片描述

图中涉及到了lock record指针指向当前堆栈中的最近?个lock record，是轻量级锁按照先来先服务的模式进?了轻量级锁的加锁。

偏向锁的升级

偏向锁会等到有竞争情况下时才会进行升级。

在偏向锁升级的过程中，会先暂停持有偏向锁的线程，将偏向锁升级为轻量级锁，最后再将其唤醒，这个过程还是比较耗费资源的。

在?个安全点（在这个时间点上没有字节码正在执?）停?拥有锁的线程。
遍历线程栈，如果存在锁记录的话，需要修复锁记录和Mark Word，使其变成
?锁状态。
唤醒被停?的线程，将当前锁升级成轻量级锁。

所以如果应用程序中的锁一般处于竞争状态，可以关闭偏向锁，让其默认开始时为轻量级锁
-XX:UseBiasedLocking=false

在这里插入图片描述

2.3 轻量级锁

轻量级锁主要使用自旋的方式来进行加锁。

?旋：不断尝试去获取锁，?般?循环来实现。

轻量级锁的加锁

JVM会为每个线程在当前线程的栈帧中创建?于存储锁记录的空间，我们称为Displaced Mark Word。如果?个线程获得锁的时候发现是轻量级锁，会把锁的Mark Word复制到??的Displaced Mark Word??。

然后线程尝试?CAS将锁的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示Mark Word已经被替换成了其他线程的锁记录，说明在与其它线程竞争锁，当前线程就尝试使??旋来获取锁。

?旋是需要消耗CPU的，如果?直获取不到锁的话，那该线程就?直处在?旋状态，??浪费CPU资源。解决这个问题最简单的办法就是指定?旋的次数，例如让其循环10次，如果还没获取到锁就进?阻塞状态。

但是JDK采?了更聪明的?式——适应性?旋，简单来说就是线程如果?旋成功了，则下次?旋的次数会更多，如果?旋失败了，则?旋的次数就会减少。

?旋也不是?直进?下去的，如果?旋到?定程度（和JVM、操作系统相关），依然没有获取到锁，称为?旋失败，那么这个线程会阻塞。同时这个锁就会升级成重量级锁。

在这里插入图片描述

2.4 重量级锁

重量级锁依赖于操作系统的互斥量（mutex）实现的，?操作系统中线程间状态的转换需要相对?较?的时间，所以重量级锁效率很低，但被阻塞的线程不会消耗CPU。

前?说到，每?个对象都可以当做?个锁，当多个线程同时请求某个对象锁时，对象锁会设置?种状态?来区分请求的线程：

Contention List：所有请求锁的线程将被?先放置到该竞争队列
Entry List：Contention List中那些有资格成为候选?的线程被移到Entry List
Wait Set：那些调?wait?法被阻塞的线程被放置到Wait Set
OnDeck：任何时刻最多只能有?个线程正在竞争锁，该线程称为OnDeck
Owner：获得锁的线程称为Owner
!Owner：释放锁的线程

当?个线程尝试获得锁时，如果该锁已经被占?，则会将该线程封装成?
个 ObjectWaiter 对象插?到Contention List的队列的队?，然后调? park 函数挂起当前线程。

当线程释放锁时，会从Contention List或EntryList中挑选?个线程唤醒，被选中的线程叫做 Heir presumptive 即假定继承?，假定继承?被唤醒后会尝试获得锁，但 synchronized 是?公平的，所以假定继承?不?定能获得锁。这是因为对于重量级锁，线程先?旋尝试获得锁，这样做的?的是为了减少执?操作系统同步操作带来的开销。如果?旋不成功再进?等待队列。这对那些已经在等待队列中的线程来说，稍微显得不公平，还有?个不公平的地?是?旋线程可能会抢占了Ready线程的锁。

如果线程获得锁后调? Object.wait ?法，则会将线程加?到WaitSet中，当
被 Object.notify 唤醒后，会将线程从WaitSet移动到Contention List或EntryList中去。需要注意的是，当调??个锁对象的 wait 或 notify ?法时，如当前锁的状态是偏向锁或轻量级锁则会先膨胀成重量级锁。

2.5 总结锁的升级流程

首先检查自己 Mark Word 中的 ThreadId 是否是自己的，如果是就表示当前是“偏向锁”
如果当前的 ThreadId 不是自己的，就进行锁升级，新的线程根据当前的ThreadId 来通知之前的线程，将其 ThreadId 置为空
两个线程都把锁对象的HashCode复制到??新建的?于存储锁的记录空间，接着开始通过CAS操作，把锁对象的MarKword的内容修改为??新建的记录空间的地址的?式竞争MarkWord。
第三步中成功执?CAS的获得资源，失败的则进??旋。
?旋的线程在?旋过程中，成功获得资源(即之前获的资源的线程执?完成并释放了共享资源)，则整个状态依然处于轻量级锁的状态，如果?旋失败。
进?重量级锁的状态，这个时候，?旋的线程进?阻塞，等待之前线程执?完成并唤醒??