偏向锁详解

柔情只为你懂 2023-06-20 06:34 21阅读 0赞

# 偏向锁 #

## 概念 ##

根据计算机的 **二八理论** 而言，临界区被访问时，有 80% 的可能是同一个线程，所以偏向锁在这种情况下可以极大的提升 synchronized 关键字的性能

那偏向锁既然这么有用，为何还要提供关闭的功能呢？在竞争频繁的场景下，偏向锁仅仅只会导致 synchronized 关键字的性能降低，因为撤销偏向锁通常会导致 STW 的发生，除非对象都在当前虚拟机栈

## 文档 ##

可见 synchronized 官方文档最后一个参考文档

[官方参考][Link 1]

## 应用 ##

JVM 设置参数

# 开启偏向锁
    -XX:+UseBiasedLocking
    # 关闭偏向锁延迟
    -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
    # 查看所有的 JVM 参数
    -XX:+PrintFlagsFinal
    # 设置重偏向阈值
    -XX:BiasedLockingBulkRebiasThreshold=20
    # 批量重偏向距离上次批量重偏向的后重置的延迟时间
    -XX:BiasedLockingDecayTime=25000
    # 设置批量撤销阈值
    -XX:BiasedLockingBulkRevokeThreshold=40

在 JVM 启动的时候会有很多线程在后台运行，例如 GC 线程，Finalizer 线程，VM Thread 线程等，会用到很多同步操作，所以在启动的前 4 秒默认创建的对象都不支持偏向，因为有默认参数

-XX:BiasedLockingStartupDelay=4000

**请注意加入依赖**

<dependency>
        <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
        <artifactId>jol-core</artifactId>
        <version>0.8</version>
    </dependency>

## 匿名偏向 ##

public class BiasedLockDemo1 { 
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
            // JVM 虚拟机启动的时候创建
            Model model1 = new Model();
            // 无锁
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model1).toPrintable());
            Thread.sleep(4001);
            // JVM 启动 4 秒后创建对象
            Model model2 = new Model();
            // 偏向锁
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model2).toPrintable());
        }
    }

由上可见，在对象，在支持偏向之前创建的对象都是`无锁`状态的，但是在支持偏向后，创建的对象就自动带有偏向标识，但是此时是没有偏向任何线程的，属于一个`匿名偏向（anonymously biased）`状态，此时对象可以偏向任何一个线程，详情可以参加 `bytecodeInterpreter.cpp`

## 偏向 ##

在第一个案例中，我们加一把锁，可以看到不一样的信息

可以看到此时对象头有了线程 ID 的信息

## 偏向锁升级 ##

偏向锁在退出后，如果有另一个线程来竞争锁资源，会升级为轻量级锁

public class BiasedLockDemo2 { 
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
            // JVM 虚拟机启动的时候创建
            Model model1 = new Model();
            // 无锁
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model1).toPrintable());
            Thread.sleep(4001);
            // JVM 启动 4 秒后创建对象
            Model model2 = new Model();
            // 偏向锁
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model2).toPrintable());
            synchronized (model2) { 
                // 偏向锁
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model2).toPrintable());
            }
            synchronized (model2) { 
                // 偏向锁
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model2).toPrintable());
            }
            new Thread(() -> { 
                synchronized (model2) { 
                    // 轻量级锁
                    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model2).toPrintable());
                }
            }).start();
        }
    }

此时可以看见，相同的 main 线程进入的时候，锁没有升级，此时还是偏向锁，但是当其他的线程进入的时候，偏向锁便升级为了轻量级锁，轻量级锁在下面会说，不在这里讨论

如果在偏向锁还没有退出同步代码块的时候，另一个线程来竞争这个锁资源，会直接升级为重量级锁

public class HeavyweightLockDemo { 
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
            Thread.sleep(5000);
            Model model = new Model();
            System.out.println(ClassLayout.parseClass(Model.class).toPrintable());
            Thread t0 = new Thread(() -> { 
                synchronized (model) { 
                    System.out.println("t0 begin 1");
                    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model).toPrintable() + "-------------------1");
                    try { 
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) { 
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("t0 begin 2");
                    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model).toPrintable() + "-------------------2");
                }
            });
            Thread t1 = new Thread(() -> { 
                try { 
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("t1 begin");
                synchronized (model) { 
                    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model).toPrintable());
                }
            });
            t0.start();
            t1.start();
        }
    }

## 批量重偏向 ##

当在一批对象偏向一个线程后，如果另一个线程批量去给这批对象进行撤销偏向锁，并升级为轻量级锁，那么虚拟机会在达到一定的阈值时，会将 class 中的 epoch 值改为 01，但是已经创建的对象 epoch 值都为 00，对比两者不同，于是发生重偏向，将同步块内部的对象中的对象头中偏向的线程 ID 指向自己

public class BiasedLockDemo3 { 
        // 同步容器
        public static List<Model> list = new ArrayList<>();
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
            // 检查点
            List<Integer> checkPoint = Arrays.asList(9,19,49);
    
            Thread.sleep(5000);
            // JVM 启动 4 秒后创建对象
            Thread t0 = new Thread(() -> { 
                for (int i = 0; i < 50; i++) { 
                    Model model = new Model();
                    synchronized (model) { 
                        // 等待这个是为了展示 epoch 的值
                        if (i == 49) { 
                            try { 
                                Thread.sleep(10000);
                            } catch (InterruptedException e) { 
                                e.printStackTrace();
                            }
                        }
                        list.add(model);
                        if (checkPoint.contains(i)) { 
                            System.out.println();
                            // 偏向锁
                            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model).toPrintable() + "add----------------------" + i);
                        }
                    }
                }
            });
    
            Thread t1 = new Thread(() -> { 
                for (int i = 0; i < list.size(); i++) { 
                    Model model = list.get(i);
                    synchronized (model) { 
                        if (checkPoint.contains(i)) { 
                            System.out.println();
                            // 在 20 个之前都是轻量级锁，在 20 个以及之后是偏向锁
                            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model).toPrintable() + "t1----------------------" + i);
                        }
                    }
                }
                try { 
                    Thread.sleep(10000);
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
                Model model49 = list.get(49);
                synchronized (model49) { 
                    System.out.println();
                    // 故意等着第 49 个对象进来查看 mark word 信息
                    // 轻量级锁
                    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model49).toPrintable() + "t1----------------------" + 49);
                }
            }, "t1");
            t0.start();
            Thread.sleep(4000);
            t1.start();
            t1.join();
            // 偏向锁，可以看到 epoch 值是在跟着 class 走的
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new Model()).toPrintable() + "main----------------------");
        }
    }

如果我们在重偏向一次后，又进行了第二次重偏向，不同的情况会出现不同的结果，如果第一次重偏向后经历了 25 秒之后，就会重置重偏向的功能，此时，对象又可以被重偏向了

public class BiasedLockDemo4 { 
        // 同步容器
        public static List<Model> list = new ArrayList<>();
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
            // 检查点
            List<Integer> checkPoint = Arrays.asList(9,19,49);
    
            Thread.sleep(5000);
            // JVM 启动 4 秒后创建对象
            Thread t0 = new Thread(() -> { 
                for (int i = 0; i < 50; i++) { 
                    Model model = new Model();
                    synchronized (model) { 
                        list.add(model);
                        if (checkPoint.contains(i)) { 
                            System.out.println();
                            // 偏向锁
                            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model).toPrintable() + "add----------------------" + i);
                        }
                    }
                }
            });
    
            Runnable runnable = () -> { 
                for (int i = 0; i < list.size(); i++) { 
                    Model model = list.get(i);
                    synchronized (model) { 
                        if (checkPoint.contains(i)) { 
                            System.out.println();
                            // 在 20 个之前都是轻量级锁，在 20 个以及之后是偏向锁
                            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model).toPrintable() + Thread.currentThread().getName() + "----------------------" + i);
                        }
                    }
                }
                try { 
                    Thread.sleep(10000);
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
            };
    
            Thread t1 = new Thread(runnable);
            Thread t2 = new Thread(runnable);
            t0.start();
            Thread.sleep(4000);
            t1.setName("t1");
            t1.start();
            Thread.sleep(40000);
            t2.setName("t2");
            t2.start();
            // t2 线程中发生重偏向现象
            t2.join();
            // 偏向锁
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new Model()).toPrintable() + "main----------------------");
        }
    }

## 批量撤销 ##

如果我们在重偏向一次后，又进行了第二次重偏向，如下

public class BiasedLockDemo4 { 
        // 同步容器
        public static List<Model> list = new ArrayList<>();
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
            // 检查点
            List<Integer> checkPoint = Arrays.asList(9,19,49);
    
            Thread.sleep(5000);
            // JVM 启动 4 秒后创建对象
            Thread t0 = new Thread(() -> { 
                for (int i = 0; i < 50; i++) { 
                    Model model = new Model();
                    synchronized (model) { 
                        list.add(model);
                        if (checkPoint.contains(i)) { 
                            System.out.println();
                            // 偏向锁
                            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model).toPrintable() + "add----------------------" + i);
                        }
                    }
                }
            });
    
            Runnable runnable = () -> { 
                for (int i = 0; i < list.size(); i++) { 
                    Model model = list.get(i);
                    synchronized (model) { 
                        if (checkPoint.contains(i)) { 
                            System.out.println();
                            // 在 20 个之前都是轻量级锁，在 20 个以及之后是偏向锁
                            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model).toPrintable() + Thread.currentThread().getName() + "----------------------" + i);
                        }
                    }
                }
                try { 
                    Thread.sleep(10000);
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
            };
    
            Thread t1 = new Thread(runnable);
            Thread t2 = new Thread(runnable);
            t0.start();
            Thread.sleep(4000);
            t1.setName("t1");
            t1.start();
            Thread.sleep(4000);
            t2.setName("t2");
            t2.start();
            // t2 线程中并没有发生重偏向现象
            t2.join();
            // 无锁，因为发生了批量撤销
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new Model()).toPrintable() + "main----------------------");
        }
    }

结果可见，是不会发生重偏向效果的，并且如果数量达到了 40 的阈值（同一线程内），就会发生批量撤销，新建的对象将直接是无锁状态而不再是匿名偏向状态，但是我们如果设置为 list 的大小为 30，即使我们增加一个 t3，也不会发生批量撤销，新建的 Model 对象就不会是无锁状态，而是偏向锁状态

## 注意 ##

经历过 HashCode 计算后的对象，数组对象是无法作为偏向锁的

public class BiasedLockDemo6 { 
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
            // JVM 虚拟机启动的时候创建
            Model[] model1 = new Model[]{ new Model()};
            // 无锁
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model1).toPrintable());
            Thread.sleep(5000);
            // JVM 启动 4 秒后创建对象
            Model[] model2 = new Model[]{ new Model()};
            // 无锁
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model2).toPrintable());
        }
    }

public class BiasedLockDemo7 { 
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
            // JVM 虚拟机启动的时候创建
            Model model1 = new Model();
            // 无锁
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model1).toPrintable());
            Thread.sleep(5000);
            // JVM 启动 4 秒后创建对象
            Model model2 = new Model();
            model2.hashCode();
            // 无锁
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(model2).toPrintable());
        }
    }

[Link 1]: https://www.oracle.com/technetwork/java/biasedlocking-oopsla2006-wp-149958.pdf