JUC：synchronized优化——锁的升级过程（偏向锁-＞轻量级锁-＞重量级锁）以及内部实现原理

文章目录

锁的类型
- 轻量级锁
- 重量级锁
- 自旋优化
- 偏向锁
- 偏向锁的细节
- - 偏向锁的撤销
  - 批量重偏向
  - 批量撤销
  - 锁消除

锁的类型

重量级锁、轻量级锁、偏向锁。
加锁过程：偏向->轻量级->重量级

轻量级锁

轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化。

轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是 synchronized，锁的升级什么的不用我们考虑。

static final Object obj = new Object();public static void method1() {synchronized( obj ) {// 同步块 Amethod2();}
}public static void method2() {synchronized( obj ) {// 同步块 B}
}

每一个线程的栈帧中都会包含一个锁记录结构，记录对象头中的markword。

在这里插入图片描述

锁记录中Object reference指向锁对象，并尝试用 cas 交换 Object 的 Mark Word，将Mark Word的值存入锁记录中。

在这里插入图片描述

若cas成功，对象头中存储锁地址和锁状态00(轻量级)，表示该线程给此对象加锁。

在这里插入图片描述

如果 cas 失败，有两种情况：

如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程。
如果是自己执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数。

在这里插入图片描述

当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一。

在这里插入图片描述

当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头

成功，则解锁成功。
失败，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。

重量级锁

如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时会进行锁膨胀，将轻量级锁膨胀为重量级锁。

static Object obj = new Object();
public static void method1() {synchronized( obj ) {// 同步块}
}

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。

在这里插入图片描述

这时Thread-1就会CAS失败，进入锁膨胀过程。

Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址
然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED
Object 对象头锁标记变为10(重量级)

在这里插入图片描述

当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 CAS 将 Mark Word 的值恢复给对象头，失败。这时会进入重量级解锁流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程。

简单来说，我们可以简化一下：

就是没竞争时，自己正常加锁运行解锁即可，同一线程有锁的重入，防止没必要的加锁解锁过程。
如果有竞争时，新线程进入阻塞队列等待，当解锁时，唤醒阻塞队列中的线程。

自旋优化

重量级锁竞争的时候，可以使用自旋(不断的循环尝试获取重量级锁)来进行优化，如果当前线程自旋成功（当前持有锁的线程释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。（阻塞再恢复，会进行上下文切换，耗费性能）

但是自旋也是会消耗性能的，尤其是进程非常多的时候，一堆进程在不断循环等待锁被释放，优点就是及时，一释放锁就能感应到。

偏向锁

在锁重入时，会产生锁记录，每次都需要尝试CAS，虽然会失败，但是CAS这个操作是没必要的。

优化：

将对象头中记录持有该锁的线程id，如果发生锁的重入，检测对象头，若是自己的，那么就不用再CAS了。

对比：

在这里插入图片描述

偏向锁的细节

在这里插入图片描述

一个对象创建时：

如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，markword 值为 0x05 即最后 3 位为 101，这时它的 thread、epoch、age 都为 0。
偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，可以加 VM 参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟。
如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，markword 值为 0x01 即最后 3 位为 001，这时它的 hashcode、age 都为 0，第一次用到 hashcode 时才会赋值。
正常状态对象一开始是没有 hashCode 的，第一次调用才生成。
调用了 hashCode() 后会撤销该对象的偏向锁。

从图中也可以看出，偏向锁的markword没有位置可以放hashcode了，除非转变为轻量级锁，所以调用对象的hashCode会撤销他的偏向锁。

偏向锁的撤销

除了上面说的调用hashCode，也可用让其他线程使用偏向锁，这时偏向锁会升级为普通锁。

不过两个线程需要错开加锁，不然会升级为重量级锁。

批量重偏向

可用发现，就算错开没用竞争，那么锁也会从偏向锁转变为普通锁，那其实锁的转变也是消耗性能的，所以就有了偏向锁的重偏向这个功能。

如果对象被多个线程访问，但没有竞争（错开），这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象的 Thread ID 为 T2线程。

当某对象(这一类的不同对象)撤销偏向锁阈值超过20次后，jvm会觉得，我是不是偏向错了，于是会在给这些对象加锁的时候重新偏向至新加锁线程。

批量撤销

当相同类型不同对象撤销偏向锁阈值超过 40 次后，jvm 会这样觉得，自己确实偏向错了，根本就不该偏向，这个锁竞争太激烈了。于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的，新建的该类型对象也是不可偏向的（轻量级）。

锁消除

简单来说，当jvm调用某方法达到一定阈值，就会用记时编译器优化，发现锁加和不加没有影响时，就会去除掉锁。

public class MyBenchmark {static int x = 0;public void a() throws Exception {x++;}public void b() throws Exception {Object o = new Object();synchronized (o) {x++;}}
}