【Java并发编程】synchronized（五）：锁膨胀原理分析（JDK6后）

今天药忘吃喽~ 2022-11-02 01:00 185阅读 0赞

JDK6 为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了 “偏向锁” 和 “轻量级锁”：锁一共有 4 种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态。锁可以升级但不能降级。

在对象头的 Mark Word 中保存了不同的锁状态：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

*  偏向锁：加锁信息。通过修改 ThreadId 来实现加锁
 *  轻量级锁：指针，指向拿锁线程的 Lock Record（里面保存了对象的 MarkWord）。通过修改指针来实现加锁
 *  重量级锁：指针，指向对象的 Monitor 对象。通过修改 ObjectMonitor 的 count（++）来实现加锁

## 1.偏向锁 ##

*  特点：无竞争（只有一个线程、多个线程但不同时执行）
 *  原理：CAS
 *  注：偏向锁在 Java 6 和 Java 7 里是默认启用的。由于偏向锁是为了在只有一个线程执行同步块时提高性能，如果你确定应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态，可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，那么程序默认会进入轻量级锁状态。

### 1.1 获取锁过程 ###

1）访问 Mark Word 中偏向锁的标识是否设置成1，锁标志位是否为 01——确认为可偏向状态。

2）如果为可偏向状态，则测试线程 ID 是否指向当前线程

*  如果是，进入步骤（5）
 *  否则进入步骤（3）

3）如果线程ID并未指向当前线程，则通过CAS操作竞争锁。

*  如果竞争成功，则将 Mark Word中 线程 ID 设置为当前线程ID，然后执行（5）
 *  如果竞争失败，执行（4）

4）如果CAS获取偏向锁失败，则表示有竞争（CAS 获取偏向锁失败说明至少有过其他线程曾经获得过偏向锁，因为线程不会主动去释放偏向锁）。当到达**全局安全点**（safepoint）时，会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着

> PS：因为可能持有偏向锁的线程已经执行完毕，但是该线程并不会主动去释放偏向锁

*  如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成**无锁状态**（标志位为“01”），然后重新偏向新的线程；
 *  如果线程仍然活着，撤销偏向锁后升级到**轻量级锁状态**（标志位为“00”），此时轻量级锁由原持有偏向锁的线程持有，继续执行其同步代码，而正在竞争的线程会进入自旋等待获得该轻量级锁。

5）执行同步代码。

### 1.2 **释放锁过程：** ###

如上步骤（4）。偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放偏向锁的机制：**偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动去释放偏向锁**。

偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态，撤销偏向锁后恢复到未锁定（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。

## 2.轻量级锁 ##

*  特点：轻量并发（线程少，任务执行快（当任务<时间片，宏观相当于多线程交替执行））
 *  原理：自旋 + CAS
    
     *  自适应自旋：一般10次
     *  自定义自旋次数：设置 preBlockSpin
 *  自旋锁（忙等）
    
     *  **引入自旋锁的原因**：互斥同步对性能最大的影响是阻塞的实现，因为**挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给系统的并发性能带来很大的压力**。同时虚拟机的开发团队也注意到在许多应用上面，共享数据的锁定状态只会持续很短一段时间，为了这一段很短的时间频繁地阻塞和唤醒线程是非常不值得的。
     *  **自旋锁**：让该线程执行一段无意义的忙循环（自旋）等待一段时间，不会被立即挂起（自旋不放弃处理器额执行时间），看持有锁的线程是否会很快释放锁。自旋锁在JDK 1.4.2中引入，**默认关闭**，但是可以使用-XX:+UseSpinning开开启；在JDK1.6中默认开启。
     *  **自旋锁的缺点**：自旋等待不能替代阻塞，虽然它可以避免线程切换带来的开销，但是它**占用了处理器的时间**。如果持有锁的线程很快就释放了锁，那么自旋的效率就非常好；反之，自旋的线程就会白白消耗掉处理器的资源，它不会做任何有意义的工作，这样反而会带来性能上的浪费。所以说，**自旋等待的时间（自旋的次数）必须要有一个限度**，例如让其循环10次，如果自旋超过了定义的时间仍然没有获取到锁，则应该被挂起（进入阻塞状态）。**通过参数-XX:PreBlockSpin可以调整自旋次数，默认的自旋次数为10**。
     *  **自适应的自旋锁：JDK1.6引入自适应的自旋锁，自适应就意味着自旋的次数不再是固定的，它是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定**：如果在同一个锁的对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后要获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源。简单来说，就是线程如果自旋成功了，则下次自旋的次数会更多，如果自旋失败了，则自旋的次数就会减少。
     *  **自旋锁使用场景**：从轻量级锁获取的流程中我们知道，当线程在获取轻量级锁的过程中执行CAS操作失败时，是要通过自旋来获取重量级锁的。（见前面“轻量级锁”）

### 2.1 **获取锁过程：** ###

线程在执行同步块之前，JVM 会先在当前的线程的栈帧中创建一个 Lock Record，其包括一个用于存储对象头中的 mark word（官方称之为 Displaced Mark Word）以及一个指向对象的指针。下图右边的部分就是一个 Lock Record。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
1）在线程栈中创建一个 Lock Record，将其 obj（即上图的 Object reference）字段指向锁对象。

2）通过 CAS 尝试将对象的 Mark Word 更新为指向 Lock Record 的指针，如果对象处于无锁状态则修改成功，代表该线程获得了轻量级锁，然后对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态。如果失败进入步骤3

3）如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的 Mark Word 是否指向当前线程的栈帧

*  如果是当前线程已经持有该锁了，代表这是一次锁重入。设置 Lock Record 第一部分（Displaced Mark Word）为 null，起到了一个重入计数器的作用。然后结束
 *  如果不是，则说明当前时间锁对象已被某个线程占有，那么此时当前线程只有通过自旋的方式去获取锁。

4）如果在自旋一定次数后仍为获得锁，那么轻量级锁将会升级成重量级锁。即将对象头中锁标志位将变为 10（重量级锁），MarkWord 中存储的也就是指向互斥量（重量级锁）的指针。

### 2.2 **锁释放过程：** ###

1）遍历线程栈，找到所有 obj 字段等于当前锁对象的 Lock Record

2）如果 Lock Record 的 Displaced Mark Word 为 null，代表这是一次重入，将 obj 设置为 null 后 continue

3）如果 Lock Record 的 Displaced Mark Word 不为null，则利用 CAS 指令将对象头的 Mark Word 恢复。如果成功，则 continue，否则膨胀为重量级锁

## 3.重量级锁 ##

只有重量级锁才能叫真正意义的锁，偏向锁与轻量级锁相当于无锁（并无线程被阻塞让出CPU）

*  特点：存在并发，且线程执行任务时间长
 *  原理：就是文章前一部分的 monitor， 每一个 JAVA 对象都会与一个监视器 monitor 关联，我们可以把它理解成为一把锁，当一个线程想要执行一段被 synchronized 修饰的同步方法或者代码块时，该线程得先获取到 synchronized 修饰的对象对应的 monitor。

依赖操作系统的 MutexLock(互斥锁)来实现的, 线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响锁的性能

> 关于重量级锁原理的详细介绍，请参考下一篇文章 [【Java并发编程】synchronized（六）：重量级锁原理分析][Java_synchronized]…

## 总结：三种锁的 MarkWord 变化 ##

下图用一张图总结一下锁膨胀过程中Mark Word 的变化情况：  
![v2-48d61b481f25319d76df689f8ab9bc6d_720w.jpg_pic_center][]

1）一个对象刚开始实例化的时候，没有任何线程来访问它的时候。它是可偏向的，意味着，它现在认为只可能有一个线程来访问它，所以当第一个线程来访问它的时候，它会偏向这个线程，此时，对象持有偏向锁。偏向第一个线程，这个线程在修改对象头成为偏向锁的时候使用CAS操作，并将对象头中的ThreadID改成自己的ID，之后再次访问这个对象时，只需要对比ID，不需要再使用CAS在进行操作。

2） 一旦有第二个线程访问这个对象，因为偏向锁不会主动释放，所以第二个线程可以看到对象时偏向状态，这时表明在这个对象上已经存在竞争了。检查原来持有该对象锁的线程是否依然存活，如果挂了，则可以将对象变为无锁状态，然后重新偏向新的线程。如果原来的线程依然存活，则马上执行那个线程的操作栈，检查该对象的使用情况，如果仍然需要持有偏向锁，则偏向锁升级为轻量级锁，（偏向锁就是这个时候升级为轻量级锁的），此时轻量级锁由原持有偏向锁的线程持有，继续执行其同步代码，而正在竞争的线程会进入自旋等待获得该轻量级锁；如果不存在使用了，则可以将对象回复成无锁状态，然后重新偏向。

3）轻量级锁认为竞争存在，但是竞争的程度很轻，一般两个线程对于同一个锁的操作都会错开，或者说稍微等待一下（自旋），另一个线程就会释放锁。 但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁膨胀为重量级锁，重量级锁使除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞，防止CPU空转。

> **文章最后放两个链接，对synchronized在JVM具体实现感兴趣的童鞋有必要一读 [死磕Synchronized底层实现–概论][Synchronized]，[Synchronized原理剖析][Synchronized 1] ！！！**

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[Java_synchronized]: https://blog.csdn.net/weixin_43935927/article/details/108652924
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[Synchronized]: https://github.com/farmerjohngit/myblog/issues/12
[Synchronized 1]: https://blog.yangx.site/2019/11/16/java-synchronized/