#yyds干货盘点#面试官让我聊聊synchronized

Posted 2021-12-11 Liziba

1、简介

synchronized是Java并发领域元老级人物，synchronized很多程序员都会用，它有三种表现形式。

• 普通同步方法 -> synchronized锁住的是当前对象

private synchronized void demo() {
    // todo
}

• 静态同步方式 -> synchronized锁住的是当前类的Class对象

private static synchronized void demo() {
   // todo
}

• 同步代码块 -> synchronized锁住的是代码块括号中声明的对象

// 锁住的是SynchronizedDemo类的Class对象
private void demo1() {
    synchronized (SynchronizedDemo.class) {
        // todo
    }
}
// 锁住的是当前对象，也可以是任意对象，Java中每一个对象都可以作为锁
private void demo1() {
    synchronized (this) {
        // todo
    }
}

synchronized在很多人眼里都是性能低的并发实现方式，早期Java中synchronized确实是一把重量级锁，在JDK1.6之后对synchronized做了全面的优化，优化主要思路是：同步代码块大多数场景下并不存在多线程竞争的情况，通俗点说就是大部分情况下这把锁其实不需要。因此JDK1.6引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，从此以后synchronized中锁一共有4个状态，分别是无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态。锁的四个状态是一个升级打怪的过程，只能不断升级而不能降级，当锁已经成为重量级锁了，就无法回到轻量级锁。

2、锁升级

2.1 无锁状态

在32位虚拟机中，无锁状态的对象头中的Mark Word组成如下所示（对象头不了解可以查看本专栏中的Monitor文章）

在64位虚拟机中，无锁状态的对象头中的Mark Word组成如下所示（32位虚拟机和64位虚拟机对应锁的升级过程在实现逻辑上没有什么区别，目前大多数操作系统都是64位操作系统，因此64位虚拟机使用也更加广泛一些）

一个对象初始状态都是无锁状态，我们主要关注最后三位：

• biased_lock占一位，表示是否是偏向锁，初始值为0，表示不是偏向锁
• lock_state占两位，表示锁标志位或锁状态，初始值为10，表示无锁状态

默认情况下开启偏向锁，因此如果不关闭偏向锁，上述biased_lock值应该为1。

2.2 偏向锁

为什么会设计偏向锁这个东西呢？

这是因为大多数情况下，同步代码压根就没有竞争的情况发生，也就是一把锁一直是同一个线程在加锁、执行同步代码、解锁，这种情况是不是可以优化呢？当然可以啦！那怎么优化呢？这就是偏向锁干的事情。

比如如下代码，在未使用偏向锁的情况下需要两次加锁解锁操作，而使用偏向锁则免去了这些操作。

final Object lock = new Object();

private void lockFirst() {
    // 使用CAS将线程ID设置到对象头中的Mark Word中
    synchronized (lock) {
        // todo
    }
    lockSecond();
}


private void lockSecond() {
    // 比较锁对象头的Mark Word中是不是偏向当前线程即可
    synchronized (lock) {
        // todo
    }
}

什么是偏向锁呢？

从字面上就能理解，偏向锁就是偏向某个线程的锁，将这个锁对象想办法标记为当前线程就可以了，线程怎么区分呢？就用线程ID做标记嘛，把线程ID搞到锁对象里面就可以了嘛！

具体怎么实现的呢？

当某个线程访问同步代码需要获取锁时，不再直接去关联一个monitor对象，而是使用CAS将线程ID设置到对象头中的Mark Word中，并且线程栈帧中的锁记录中也会存储锁偏向的线程ID，这样只要锁不发生竞争，同一个线程多次尝试获取同一把锁的时候，只需要比较锁对象头的Mark Word中是不是偏向当前线程即可。

在32位虚拟机中，处于偏向锁的对象头的Mark Word组成如下所示：

前23位被设置成偏向线程的ID，biased_lock被设置成1，表示当前锁对象处于偏向锁状态，指的注意的是偏向锁的锁标志位和无锁标志位是一样都是10

在64位虚拟机中，处于偏向锁的对象头的Mark Word组成如下所示：

前54位被设置成偏向锁ID，biased_lock被设置成1

眼见为实，如何查看？

jdk提供了对应的类来查看打印对象的内存信息，引入jol依赖

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

测试代码：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    Object lock = new Object();
    log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());

}

输出结果：

可以看出我的虚拟机是64位虚拟机，因为对象头的Mark Word占用8个字节，但是输出的Mark Word值怎么是001，不是101呢？你不是说默认开启偏向锁么？

这是因为偏向锁的开启，虚拟机采用了延迟启动。不过这个延迟启动偏向锁，我们可以通过VM参数-XX:BiasedLockingStartupDelay=0来关闭。

此时MarkWord的值为0x0000000000000005，转换为二进制就是101了，这就证明了上面我们说的那些知识点啦。除此之外我们可以通过-XX:-UseBiasedLocking来关闭偏向锁（-XX:+UseBiasedLocking为启动偏向锁）。

关闭延迟偏向锁，以及关闭偏向锁 -XX:-UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0

从输出结果来看，偏向锁被禁用了

偏向锁的展示

偏向锁的威力在于当锁偏向于某个对象时，此时只需要比较线程id即可，看一段测试代码：

static final Object lock = new Object();

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    log.info("初始状态...");
    log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        synchronized (lock) {
            log.info("线程t1第一次持有锁时...");
            log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
        }

        synchronized (lock) {
            log.info("线程t1第二次持有锁时...");
            log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
        }

    }, "Thread-1");

    t1.start();
    t1.join();
    log.info("线程t1加锁之后...");
    log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());

}

共64位，高位请脑海里补0

初始Mark Word为0x0000000000000005 -> 二进制 100000000000000000000000000101

偏向线程t1之后为0x000000002022b805 -> 二进制 100000001000101011100000000101

可以看到此时Mark Word中标记了线程ID （注意这个线程id是操作系统分配的线程id，不是虚拟机中java给定的线程id，不信你试试看）,重复获取同一把锁t1线程只需要比较线程id即可。

hashcode()和偏向锁的关系

先看一段测试代码

@Slf4j
public class HashCodeAndBiasedLock {

    static final Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        log.info("调用HashCode之前");
        log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
        lock.hashCode();
        log.info("调用HashCode之后");
        log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
    }

}

输出结果：

可以看到Mark Word的变化(共64位，高位请脑海里补0)：

• 初始默认开启偏向锁0x0000000000000005 -> 10000000000000000000000000000000101
• 调用hashcode()方法0x000000063e31ee01 -> 11000111110001100011110111000000001
• 线程id0x063e31ee -> 110001111100011000111101110

可以看到调用hashCode()方法之后，MarkWord的最低3位由101转换为001了，偏向锁被取消了，此时Mark Word的组成就由下图所示。

因此可以得出结论，当我们调用某个锁对象的hashCode()方法时，默认的偏向锁机制将会被取消。

偏向锁升级为轻量级锁

偏向锁在什么时候会升级为轻量级锁呢？

可以看如下代码，t1对lock对象加锁之后，t2对lock对象加锁。

static final Object lock = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    log.info("初始状态...");
    log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
    Thread t1 = new Thread(() -> {

        log.info(String.valueOf(Thread.currentThread().getId()));
        synchronized (lock) {
            log.info("线程t1第一次持有锁时...");
            log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
        }

    }, "Thread-1");


    t1.start();
    t1.join();

    log.info("线程t1加锁之后...");
    log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());

    Thread t2 = new Thread(() -> {
        synchronized (lock) {
            log.info("线程t2持有锁时...");
            log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
        }
    }, "Thread-2");

    t2.start();
    t2.join();
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