Synchronized锁升级过程 学习笔记

Posted 2023-02-14 若曦`

• 1. 对象的存储方式
• • 对象头
  • • Mark Word（标记字段）
    • Klass Pointer（类型指针）
  • 实例变量
  • 填充数据
• 2. Mark Word与Synchronized锁的关系
• • Mark Word的数据字段
  • • 锁标志位
    • GC标记 11
    • 无锁 001
    • 偏向锁 101
    • 轻量级锁 00
    • • 自旋次数达到上限
      • 线程C尝试竞争锁对象
    • 重量级锁 10

1. 对象的存储方式

要明白Synchronized锁升级过程前，我们要先知道对象在堆内存中的存储模型；

堆内存中的对象分为了三块，对象头、实例变量和填充字节；

对象头

对象头主要包含两个部分 1. Mark Word （标记字段） 2. Klass Pointer（类型指针）

Mark Word（标记字段）

Mark Word就是Synchronized锁实现的关键，在后续会详细介绍

Klass Pointer（类型指针）

用于指向.Class类模板信息的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例（也就是即指向方法区类的模版信息）

实例变量

存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息，这部分内存按4字节对齐

填充数据

虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐，没有其他的作用

2. Mark Word与Synchronized锁的关系

在知道了对象的存储模型后，我们知道了对象头中，有一块区域叫做MarkWork（标记字段)，这个字段存储的其实就是Synchronized锁对象

当线程去访问堆内存对象的时候，会先判断这个MarkWork字段，识别当前对象的锁的状态

Mark Word的数据字段

图片来源地址

直接看可能会觉得东西很多，很繁杂，但其中我们只需要先关注最后的一个字段，也就是锁标志位

因为当线程去读取MarkWord标记字段的时候，会先判断锁标志位的信息，从而知道此时的对象是使用的什么锁

锁标志位

• 11代表没有锁
• 01 代表无锁或偏向锁
• 00 轻量级锁
• 10 重量级锁

GC标记 11

11表示该对象没有被引用，被GC标记，表示有可能会清除

无锁 001

无锁状态，其实是代表对象还未被任何线程所读取过，也就是一个纯净的状态；

当线程读取MarkWord标记字段后，发现锁标记位为01，再去看倒数第二个字段，发现为0，那么说明当前对象没有被其他线程读取过，那么自己就可以直接读取，不用执行其他任何的判断；

线程此时会将倒数第二个标记，是否是偏向锁的标记位 0 -》1 ，表示当前数据被自己所读取过；然后将自己的线程ID存储在MarkWork标记字段的头部；

此时 Synchronized锁也就升级了，从无锁变成了偏向锁 001->101

偏向锁 101

偏向锁的锁标记位和无锁一样，也是01，不同是倒数第二个字段为1，表示自己是偏向锁，且MarkWord的头部是线程的ID；

此时，当一个线程去读取对象的时候，读取到MarkWord，发现是偏向锁，于是就会将自身的线程Id，与MarkWord中存储的线程ID去进行对比；

• 如果说是相同的线程ID，那么就可以直接读取数据；

• 如果是不同的线程ID，那么就会去判断占用着的线程是否还存活（是否还在执行）如果那个线程已经销毁了，那么就会将线程ID设为自己的，表示这是自己使用的偏向锁；

• 如果说那个线程仍然存活，那么此时锁就会升级，从偏向锁升级为轻量级锁 01->00

轻量级锁 00

轻量级锁的实现，本质上也就是CAS实现的自旋锁；

假设此时是线程A占用对象，线程B处于自旋状态；那么此时线程B就会不停的自旋，尝试去获取对象；

那么什么时候自旋结束呢，一般是以下两种情况

自旋次数达到上限

当线程B自旋到了上限（默认是10次），那么此时锁就会膨胀为重量级锁10

线程C尝试竞争锁对象

如果线程B在自旋的情况下，另一个线程C进来竞争锁，那么锁同样也会膨胀为重量级锁10

重量级锁 10

重量级锁其实就是原来的Synchronized锁的实现，没有采用自旋的方式，而是悲观锁/排他锁的思想；

Synchronized升级为重量级锁的时候，会有一个指向互斥量（monitor对象）的指针，这个monitor对象定义了_WaitSet和_EntryList两个队列；

ObjectMonitor() 
    _count        = 0; //记录数
    _recursions   = 0; //锁的重入次数
    _owner        = NULL; //指向持有ObjectMonitor对象的线程 
    _WaitSet      = NULL; //调用wait后，线程会被加入到_WaitSet
    _EntryList    = NULL ; //等待获取锁的线程，会被加入到该列表

如果在重入锁的情况下，当一个线程去竞争锁，它会被放进_EntryList队列中去竞争，如果竞争成功，_owner指针就会指向当前线程，同时_count+1，如果竞争失败，会重新回到_EntryList中。

如果一个线程被调用了wait()，那么会释放当前持有锁，_count-1且当前线程进入_WaitSet等待被唤醒