Java并发编程之锁升级过程

阳光穿透心脏的1/2处 2022-11-09 15:29 220阅读 0赞

阅读本文档前需了解的前置知识：

1.  进程和线程的概念
2.  并发和并行的概念
3.  创建线程的三种方式
4.  线程常见方法
5.  线程的五种状态及其转换

# synchronized优化原理 #

### 文章目录 ###

*  synchronized优化原理
 *   *  一、Monitor介绍
     *   *  1. 对象头
         *  2. Monitor原理
     *  二、synchronized原理
     *   *  1. 轻量级锁
         *  2. 锁膨胀
         *  3. 自旋优化
         *  4. 偏向锁
         *   *  (1) 概念
             *  (2) 偏向状态
             *  (3) 偏向锁失效的情况
             *   *  i. 调用hashcode()方法
                 *  ii. 其他线程使用对象
                 *  iii. 调用wait / notify()方法

## 一、Monitor介绍 ##

Monitor即通常所说的锁（重量级锁），又被称为监视器或管程，由操作系统提供

### 1. 对象头 ###

一个Java对象的结构如下：

![20210315213104712.png][]

*  普通对象的对象头  
    ![20210315213114166.png][]
    
     *  Klass Word为指针，指向此对象所属的类，通过指针找到此对象所属的类
 *  数组对象的对象头  
    ![\+][20210315213137949.png]
 *  Mark Word结构
    
     *  其中保存哈希值、分代年龄、加锁状态等信息  
        ![\+][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70]

### 2. Monitor原理 ###

*  每个使用synchronized关键字的 Java 对象，该对象的Mark Word从无锁变为指向Monitor对象的指针，且标志位变为10
    
    ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]
 *  刚开始时Monitor中的Owner为null，Owner表示谁是这把锁的所有者
 *  当 Thread-2 执行`synchronized(obj){}`代码时就会将Monitor的所有者 Owner 设置为 Thread-2，上锁成功，Monitor中同一时刻只能有一个Owner
    
    ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]
 *  当 Thread-2 占据锁时，如果线程 Thread-3、Thread-4、Thread-5 也来执行`synchronized(obj){}`代码，就会进入 EntryList 中变成BLOCKED状态，EntryList是阻塞队列
 *  Thread-2 执行完同步代码块的内容，进行解锁，Monitor的Owner变空，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争时是非公平的
 *  图中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足而进入 WAITING 状态的线程

## 二、synchronized原理 ##

### 1. 轻量级锁 ###

*  使用场景
    
     *  如果一个对象虽然有多个线程要对它进行加锁，但是加锁的时间是错开的（也就是没有人竞争），那么可以使用轻量级锁来进行优化
 *  轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是`synchronized`
 *  如果出现了多个线程竞争锁的情况，则轻量级锁升级成为重量级锁（锁膨胀）
 *  举例
    
        //假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁
        static final Object obj = new Object();
        public static void method1() { 
             synchronized( obj ) { 
                 // 同步块 A
                 method2();
             }
        }
        public static void method2() { 
             synchronized( obj ) { 
                 // 同步块 B
             }
        }
    
    1.  当执行到method1的synchronized代码块时，会在方法对应的栈帧中创建锁记录（Lock Record）（充当轻量级锁），每个方法对应的栈帧中都会包括一个锁记录的结构，锁记录内部可以储存要加锁对象的 Mark Word 和对象引用reference
        
        注意：一开始锁记录并不是直接存储加锁对象的mark word，而是锁记录的地址，后期二者会交换
        
        ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]
    2.  让锁记录中的 Object reference 指向锁对象，并且尝试用锁记录地址替换Object对象的Mark Word，将Mark Word 的值存入锁记录中
        
        交换的目的是为了加锁，查阅mark word得知00表示轻量级锁，01表示无锁
        
        ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]
    3.  如果交换成功，那么对象头储存的就是锁记录的地址和状态00（轻量级锁），表示由该线程给该对象加轻量级锁成功
        
        解锁的时候将二者的信息还原回去
        
        ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]
    4.  如果交换失败，有两种失败情况
        
         *  对象头的mark word后两位不是01，表示已经有线程持有锁，此时发生了锁竞争，进入锁膨胀阶段
         *  当前线程执行了 synchronized 锁重入（当前线程又一次为同一个对象加锁，即本例的情况），那么再添加一条取值为null的锁记录，作为重入的计数，表示当前线程对此对象加了几次锁
            
            ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]
            
            注意：锁重入即使交换失败，但也会检查对象头的 mark word 尝试交换
    5.  当线程退出method2的synchronized代码块的时候，如果获取的锁记录取值为 null（栈顶元素出栈），表示有重入，这时重置锁记录，将重入计数减一
        
        ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 7][]
    6.  当线程退出method1的synchronized代码块的时候，如果获取的锁记录取值不为 null，则还原二者的锁记录地址和 mark word 至交换之前的状态
        
         *  成功则解锁成功
         *  失败则说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程
    
    上述的交换过程称为CAS操作，有一定的性能损耗

### 2. 锁膨胀 ###

*  如果出现了多个线程竞争锁的情况，则轻量级锁升级成为重量级锁（锁膨胀）
 *  如果出现竞争锁，就会出现阻塞状态，但轻量级锁没有阻塞的说法，故需要升级成为重量级锁
 *  过程如下
    
    1.  当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁
        
        ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]
    2.  这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程
    3.  为加锁对象申请Monitor锁，让Object的 mark word 指向重量级锁Monitor的地址，后两位变成10（表示重量级锁），然后 Thread-1 进入Monitor 的 EntryList 变成阻塞状态
        
        ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 9][]
    4.  当 Thread-0 退出synchronized同步块时（此时Thread-0还是持有轻量级锁，但加锁对象已升级成为重量级锁），会还原锁记录地址和 mark word 至交换之前的状态，失败；那么会进入重量级锁的解锁过程，即按照Monitor的地址找到Monitor对象，将Owner设置为null，唤醒 EntryList 中的 Thread-1 线程

### 3. 自旋优化 ###

*  自旋概念
    
     *  重量级锁竞争的时候，如果 Owner 中已经有线程了，当前要加锁的线程不会立即进入 EntryList 阻塞，而是进行几次循环
 *  如果当前线程自旋成功（即在自旋的时候持锁的线程释放了锁），那么当前线程即可避免阻塞 ，成功加锁
 *  如果自旋失败（即自旋了一定次数还是没有等到持锁的线程释放锁），那么当前线程会进入阻塞状态
 *  在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋
 *  Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

### 4. 偏向锁 ###

#### (1) 概念 ####

*  出现原因
    
     *  在轻量级锁中，如果同一个线程对同一个对象进行锁重入时，也需要执行CAS操作（尽管会交换失败），CAS操作会耗时
 *  偏向锁概念
    
     *  Java 6 引入了偏向锁，第一次进行CAS操作时将线程ID设置到对象头的 mark word 中（mark word 中不再存储重量级锁或轻量级锁的地址），之后这个线程再进行锁重入时，检查线程ID，发现线程ID是自己的，那么就不用再进行CAS操作了
 *  偏向锁字面理解
    
     *  加锁对象偏向（属于）此线程

#### (2) 偏向状态 ####

*  偏向状态为Biased
    
    ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 10][]
 *  一个 Java 对象的创建过程
    
     *  偏向锁默认是开启的，对象创建之后，mark word 最后三位的值为101（偏向状态），并且这时它的Thread，epoch，age 都是0，在加锁的时候设置这些值
     *  即使偏向锁默认是开启的，但偏向锁默认是延迟开启的（不会在程序启动的时候立刻生效），也就是说如果在程序启动后立即创建对象 ，则此对象的后三位是001（无锁）；如果想避免延迟，可以添加虚拟机参数来禁用延迟：`-XX:BiasedLockingStartupDelay=0`

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]

*  处于偏向锁的对象解锁后，线程 id 仍存储于对象头中，表示此对象偏向于此线程，只有其他线程再调用此对象时，才会修改线程id
 *  禁用偏向锁
    
     *  添加 VM 参数 `-XX:-UseBiasedLocking` 禁用偏向锁（禁用偏向锁则优先使用轻量级锁）
     *  如果没有开启偏向锁，那么对象创建后最后三位的值为001（无锁）
     *  轻量级锁加锁状态位为00，解锁状态位变回01

#### (3) 偏向锁失效的情况 ####

##### i. 调用hashcode()方法 #####

*  当调用对象的`hashcode()`方法的时候就会禁用这个对象的偏向锁，成为无锁状态
 *  哈希值默认为0，只有第一次调用此对象的`hashcode()`才会生成哈希值并且填充到对象头的mark word中
 *  原因
    
     *  查偏向状态图得知偏向状态的mark word中没有位置存放哈希值
 *  轻量级锁和重量级锁没有此特点，二者都可以存放哈希值，轻量级锁存放在锁记录中，重量级锁存放在Monitor对象中，解锁的时候会还原到对象中

##### ii. 其他线程使用对象 #####

*  当有线程使用已经有其他线程ID的偏向锁对象时（非竞争，不同时间使用），会将偏向锁升级为轻量级锁
 *  轻量级锁的使用条件是没有线程对同一个对象进行锁竞争，一旦竞争会成为重量级锁

##### iii. 调用wait / notify()方法 #####

*  调用wait / notify()方法会使对象的锁变成重量级锁，因为wait/notify方法只有重量级锁才支持

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[20210315213137949.png]: /images/20221023/2b05eb890792457a949b5c795ea029a5.png
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