Synchronized的锁升级过程是怎样的？

文章目录

一、Synchronized的使用
- 1、修饰实例方法
- 2、修饰静态方法
- 3、修饰代码块
- 4、总结：
二、Monitor
- 1、Java对象头
- - 1.1 32 位虚拟机的对象头
  - 1.2 64位虚拟机的对象头
- 2、Mark Word 结构
- 3、Moniter
- 4、Synchronized 字节码
- 5、轻量级锁
- 6、锁膨胀
- 7、自旋优化
- 8、偏向锁
- 9、偏向锁的撤销
- - 9.1 hashcode
  - 9.2 其它线程使用对象
  - 9.3 调用 wait/notify
- 10、批量重偏向、撤销
- 11、锁消除

一、Synchronized的使用

Java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们是有区别的：

互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点

synchronized 关键字的使用方式主要有下面 3 种

修饰实例方法
修饰静态方法
修饰代码块

1、修饰实例方法

给当前对象实例加锁，进入同步代码前要获得 当前对象实例的锁 。

synchronized void method() {//业务代码
}

2、修饰静态方法

给当前类加锁，会作用于类的所有对象实例，进入同步代码前要获得 当前 class 的锁。

这是因为静态成员不属于任何一个实例对象，归整个类所有，不依赖于类的特定实例，被类的所有实例共享。

synchronized static void method() {//业务代码
}

静态 synchronized 方法和非静态 synchronized 方法之间的调用不互斥

如果一个线程 A 调用一个实例对象的非静态 synchronized 方法，而线程 B 需要调用这个实例对象所属类的静态 synchronized 方法，是允许的，不会发生互斥现象，因为访问静态 synchronized 方法占用的锁是当前类的锁，而访问非静态 synchronized 方法占用的锁是当前实例对象锁。

3、修饰代码块

对括号里指定的对象/类加锁：

synchronized(object) 表示进入同步代码库前要获得 给定对象的锁。
synchronized(类.class) 表示进入同步代码前要获得 给定 Class 的锁

synchronized(this) {//业务代码
}

4、总结：

synchronized 关键字加到 static 静态方法和 synchronized(class) 代码块上都是是给 Class 类上锁；
synchronized 关键字加到实例方法上是给对象实例上锁；
尽量不要使用 synchronized(String a) ，因为 JVM 中，字符串常量池具有缓存功能，多个线程使用相同的字符串值，实际使用的是同一个对象

二、Monitor

Java对象由三部分组成

对象头
对象体：对象体里放的是非静态的属性，也包括父类的所有非静态属性（private修饰的也在这里，不区分可见性修饰符），基本类型的属性存放的是具体的值，引用类型及数组类型存放的是引用指针。
对齐填充

1、Java对象头

1.1 32 位虚拟机的对象头

普通对象

Mark Word ：存储对象自身的运行时数据，hashCode、gc年龄以及锁信息等

Klass Word ：指向Class对象

数组对象

相对于普通对象多了记录数组长度

所以对于一个int类型整数来说，它占用4字节，而一个Integer对象，在32位虚拟机中包含了8字节对象头，4字节数据，一共12字节，加上内存对齐，就是16字节

1.2 64位虚拟机的对象头

Markword：存储对象自身运行时数据如hashcode、gc分代年龄及锁信息等，64位系统总共占用8个字节。
类型指针：对象指向类元数据地址的指针，jdk8默认开启指针压缩，64位系统占4个字节
数组长度：若对象不是数组，则没有该部分，不分配空间大小，若是数组，则为4个字节长度

2、Mark Word 结构

32位虚拟机

64位虚拟机

对象的hashCode占31位，重写类的hashCode方法返回int类型，只有在无锁情况下，在有调用的情况下会计算该值并写到对象头中，其他情况该值是空的。
分代年龄占4位，最大值也就是15，在GC中，当survivor区中对象复制一次，年龄加1，默认是到15之后会移动到老年代。
是否偏向锁占1位，无锁和偏向锁的最后两位都是01，使用这一位来标识区分是无锁还是偏向锁。
锁标志位占2位，锁状态标记位，同是否偏向锁标志位标识对象处于什么锁状态。
偏向线程ID占54位，只有偏向锁状态才有，这个ID是操作系统层面的线程唯一id，跟java中的线程id是不一致的

3、Moniter

Moniter称为监视器或者管程，是操作系统提供的对象

每个Java对象都可以关联一个Moniter对象，如果使用synchronized给对象上锁（重量级），该对象的Mark Word中就被设置指向Moniter对象的指针

Moniter结构

刚开始Moniter中Owner为null
当Thread-2执行synchronized(obj)后，就会将Moniter的所有者Owner置位Thread-2，Moniter只能有一个Owner
- obj对象的MarkWord中最初保存的是对象的hashcode、gc年龄等信息，同时锁标志位为01，表示无锁。当获取锁后，会将这些信息保存在Moniter对象中，然后MarkWord存储的就是指向Moniter的指针，锁标志位为10（重量级锁）
在Thread-2上锁的过程中，如果Thread-1、Thread-3也来执行synchronized(obj)，就会进入EntryList，处于BLOCKED状态
Thread-2执行完同步代码块的内容后，唤醒EntryList中等待的线程来竞争锁，竞争是非公平的

4、Synchronized 字节码

static final Object lock = new Object();
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {synchronized (lock) {counter++;}
}

对应的字节码为

public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)Vflags: ACC_PUBLIC, ACC_STATICCode:stack=2, locals=3, args_size=10: getstatic #2 // <- lock引用 （synchronized开始）3: dup4: astore_1 // lock引用 -> slot 15: monitorenter // 将 lock对象 MarkWord 置为 Monitor 指针6: getstatic #3 // <- i9: iconst_1 // 准备常数 110: iadd // +111: putstatic #3 // -> i14: aload_1 // <- lock引用15: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList16: goto 2419: astore_2 // e -> slot 2 20: aload_1 // <- lock引用21: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList22: aload_2 // <- slot 2 (e)23: athrow // throw e24: returnException table:from to target type6    16  19    any19   22  19    anyLineNumberTable:line 8: 0line 9: 6line 10: 14line 11: 24LocalVariableTable:Start Length Slot Name Signature0     25     0    args [Ljava/lang/String;StackMapTable: number_of_entries = 2frame_type = 255 /* full_frame */offset_delta = 19locals = [ class "[Ljava/lang/String;", class java/lang/Object ]stack = [ class java/lang/Throwable ]frame_type = 250 /* chop */offset_delta = 4

0：拿到lock的引用

4：将lock的引用存储到 slot1 中

5：将lock对象的 MarkWord 置为 Monitor 指针，原本存储的信息就存储到 Monitor 中

6-11：执行counter++操作

14：从 slot1 中获取lock对象的引用

15：将 lock 对象的 MarkWord 重置，原本MarkWord 存储的是hashcode、gc年龄等信息，当 lock 获取锁后，将MarkWord 置位 Monitor 指针。重置就是将这些信息重新写到 MarkWord 中，同时唤醒 EntryList

16：goto 24 执行24行，退出

在Exception table中设置了监控异常的行数，如果6-16行有异常，就去执行19行

19：将异常信息 e 存储到slot2中

20：从 slot1 中获取lock对象的引用

21：将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList

22：从 slot2 中获取异常信息

23：打印异常信息

注意

通过异常 try-catch 机制，确保一定会被解锁
方法级别的 synchronized 不会在字节码指令中有所体现

5、轻量级锁

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

如下，method1和method2方法都对obj对象加锁

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}
}

1、创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的Mark Word

锁记录有两个属性

锁记录地址，同时用00标记表示轻量级锁
Object referenct指向锁的对象

锁的对象obj中有对象头、对象体，对象头中Mark Word存储的是hashcode、gc年龄等信息

2、让锁记录中 Object reference 指向锁对象，并尝试用 cas 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录，然后将锁记录的信息存到Object的Mark Word中

3、如果 cas 替换成功，对象头中存储了 锁记录地址和状态 00 ，表示由该线程给对象加锁

4、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
- 此时锁记录中Object reference指向Object，但是由于Object的Mark World位置已经是00轻量级锁状态，因此这条锁记录存储为null

5、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

6、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

6、锁膨胀

锁膨胀：轻量级锁升级为重量级锁

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），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁

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

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

2、这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程

为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 的MARK WORLD指向Moniter锁地址
在堆区创建一个锁记录【Lock Record】对象，该对象包含了持有该锁的线程信息，然后Object的MARK WORLD也会记录这个对象的地址
然后 Thread-1进入 Monitor 的 EntryList，处于BLOCKED状态

3、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，会失败。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

7、自旋优化

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋(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（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。 (进入阻塞再恢复，会发生上下文切换，比较耗费性能)

自旋重试成功的情况

自旋重试失败的情况

自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。
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，总之，比较智能。
Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

8、偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。
Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有

这里的线程id是操作系统赋予的id 和 Thread的id是不同的

例

static final Object obj = new Object();
public static void m1() {synchronized( obj ) {// 同步块 Am2();}
}
public static void m2() {synchronized( obj ) {// 同步块 Bm3();}
}
public static void m3() {synchronized( obj ) {// 同步块 C}
}

没有开启偏向锁，会使用轻量级锁，每次重入都会执行CAS操作开启偏向锁，每次锁重入仅判断当前ThreadID是否是自己

对象头格式

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，不保存hashcode信息
偏向锁默认是延迟的，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

测试

利用 jol 第三方工具来查看对象头信息

public static void main(String[] args) throws IOException {Dog d = new Dog();ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(d);new Thread(() -> {log.debug("synchronized 前");System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));synchronized (d) {log.debug("synchronized 中");System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));}log.debug("synchronized 后");System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));}, "t1").start();
}

11:08:58.117 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101 
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101 
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101

注意：处于偏向锁的对象解锁后，线程 id 仍存储于对象头中，也就是偏(心)向某个线程了

禁用偏向锁

禁用偏向锁后，创建对象后，最后3位是001，无锁状态。加锁后，变为000，轻量级锁，同时保存了锁记录地址。释放锁后，变回001无锁状态，同时清除锁记录地址

11:13:10.018 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 00010100 11110011 10001000 
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001

9、偏向锁的撤销

9.1 hashcode

在Dog d = new Dog(); 后加上一句 d.hashCode();

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

11:22:10.386 c.TestBiased [main] - 调用 hashCode:1778535015 
11:22:10.391 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001 
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 11000011 11110011 01101000 
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001

因为调用了hashcode()，但是默认是偏向锁，存储的是线程id，没有内存去存储hashcode，因此会撤销偏向锁，用来存储hashcode值

轻量级锁会在锁记录中记录 hashCode
重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode

9.2 其它线程使用对象

当有其它线程使用偏向锁对象时【没有发生锁竞争】，会将偏向锁升级为轻量级锁

private static void test2() throws InterruptedException {Dog d = new Dog();Thread t1 = new Thread(() -> {log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));synchronized (d) {log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));synchronized (TestBiased.class) {TestBiased.class.notify();}}, "t1");t1.start();Thread t2 = new Thread(() -> {synchronized (TestBiased.class) {try {TestBiased.class.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));synchronized (d) {log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}, "t2");t2.start();
}

9.3 调用 wait/notify

重量级锁才支持 wait/notify，调用后，锁直接升级为重量级锁

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Dog d = new Dog();Thread t1 = new Thread(() -> {log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));synchronized (d) {log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));try {d.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}}, "t1");t1.start();new Thread(() -> {try {Thread.sleep(6000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}synchronized (d) {log.debug("notify");d.notify();}}, "t2").start();
}

[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101 
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110011 11111000 00000101 
[t2] - notify 
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011100 11010100 00001101 11001010

总结

默认情况下，偏向锁是开启的，即这个锁归这个对象所拥有
如果有其他线程获取锁或者调用hashcode，那么升级为轻量级锁
如果发生锁竞争或者调用wait/notify，那么升级为重量级锁

10、批量重偏向、撤销

对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，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 。当（某类型对象）撤销偏向锁超过阈值 20 次后，jvm 会在给（所有这种类型的状态为偏向锁的）对象加锁时重新偏向至新的加锁线程
当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，jvm 会将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
- 例如：当前有40个锁对象，刚开始都偏向t1线程。现在t2线程获取这40个锁对象，1-19个锁对象会撤销偏向锁，第20个锁对象往后，会撤销t1的偏向锁，将偏向锁设置为t2【达到20阈值】。然后t3线程获取这40个锁对象，由于前19个锁对象已经是非偏向锁了，从第20个开始，又会撤销偏向锁，最后撤销次数达到40阈值后，会将所有的锁变为不可偏向的，即使新创建的对象也是不可偏向的。

演示批量重偏向

private static void test3() throws InterruptedException {Vector<Dog> list = new Vector<>();Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 30; i++) {Dog d = new Dog();list.add(d);synchronized (d) {log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}}synchronized (list) {list.notify();}}, "t1");t1.start();Thread t2 = new Thread(() -> {synchronized (list) {try {list.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}log.debug("===============> ");for (int i = 0; i < 30; i++) {Dog d = list.get(i);log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));synchronized (d) {log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}}, "t2");t2.start();
}

[t1] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 1 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
...
[t1] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - ===============> 
[t2] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101  // 原始轻量级锁偏向t1
[t2] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000  // t2获取锁，将锁升级为轻量级锁
[t2] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001  // 释放锁后，轻量级锁被撤销
...
[t2] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 // 第20次，初始轻量级锁偏向t1
[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 // 第20次撤销锁，达到阈值，jvm将后边所有锁偏向t2
[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
...
[t2] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101

11、锁消除

锁消除：JIT即时编译器会对字节码做进一步优化，下边代码中o是一个局部变量，不会共享，所以编译后，不会执行加锁操作，而是直接执行x++

public class MyBenchmark {static int x = 0;public void b() throws Exception {//这里的o是局部变量,不会被共享,JIT做热点代码优化时会做锁消除Object o = new Object();synchronized (o) {x++;}}
}