9.synchronized的三把锁

Posted 2022-09-03 纵横千里，捭阖四方

我们知道，同步锁无非是多个线程抢占一个资源，如果抢占成功就获得了锁，失败的线程则阻塞等待，直到获取到锁被释放再重新抢。貌似该过程就只有一种情况 ，但是观察上面的对象头结构，会发现里面标记了偏向锁、轻量级锁和重量级锁三种，又表示什么呢？

其实在jdk6之前，synchronized确实只有一种方式——重量级锁，其基本原理是使用底层操作系统的MutexLock来实现，该过程会把当前线程挂起，并从用户态切换到内核态。其问题是开销太大、性能不足，因为很多场景可能不需要这么重的操作。这在生活中也很常见，例如，如果平时买火车票，你只要提前一两天订好就行了，如果买春节的票就需要召唤小伙伴和七大姑八大姨，让他们一起帮你抢。前者竞争没那么大，我们使用轻量级操作就行了，而后者竞争激烈，需要使用大招。

从JDK6开始，synchronized做了很多优化工作，其中就包括上说的三种锁，其核心设计理论就是如何让线程在不阻塞的情况下保证线程安全。本节我们先看一下三种锁的特征，后面再分析其原理。

1 偏向锁

偏向锁就是在没有竞争时加的锁！这句话是不是很奇怪，没有竞争为什么要加锁？这是因为这种场景可能存在竞争的情况，我们加锁是为防范，就像上面说的买票的例子，一开始我们怕抢不到，就召唤一群人来帮忙，但是实际可能当天就没人买票，这样确实能防范可能存在的竞争问题，但是代价太大，因此我们使用代价较低的偏向锁来解决。这种按照最坏情况来处理的锁也称为“悲观锁”。

而偏向锁是“乐观思维”，思想是，线程再没有竞争的情况下访问资源时，会先通过CAS方式来抢占资源，如果成功则修改对象头的标记，也就是昭告天下“这个对象是我的”，具体操作是将偏向锁标记修改为1，锁标记修改为01，并将线程ID写入到对象中。这样其他线程再访问，发现这个对象已经被其他的抢占了，就只能先阻塞一段时间再去抢占。

那为啥叫“偏向锁”呢？假如线程A抢到了资源，如果线程B再抢则会被阻塞，但如果线程A再次抢占呢？例如代码里出现对某个资源嵌套加锁，此时该让A阻塞吗？不是的，因为资源就被A的还没释放，A再次抢占就应该直接放行。这是不是对其他线程不公平呢？是的，因此这种机制叫做偏向锁，偏向早就获得资源的锁。

我们看一个偏向锁的例子：

public class BiasedLockExample 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        BiasedLockExample example=new BiasedLockExample();
        System.out.println("加锁之前");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(example).toPrintable());

        synchronized (example)
            System.out.println("加锁之后");
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(example).toPrintable());
        
    

在上述代码中，BiasedLockExample演示了针对example这个锁对象，在加锁之前和之后分别打印的内存对象布局，我们看一下：

part_b_inside.chapter2_synchronzied.BiasedLockExample object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           05 c1 00 f8 (00000101 11000001 00000000 11111000) (-134168315)
     12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

在加锁之前，我们发现对象头中的第一个字节00000001最后三位001，其中低位的两位数表示锁标记，它的值是[01]，表示当前为无锁状态。

加锁之后的我们再看一下：

part_b_inside.chapter2_synchronzied.BiasedLockExample object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           90 79 bc 0c (10010000 01111001 10111100 00001100) (213678480)
      4     4        (object header)                           00 70 00 00 (00000000 01110000 00000000 00000000) (28672)
      8     4        (object header)                           05 c1 00 f8 (00000101 11000001 00000000 11111000) (-134168315)
     12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

在加锁之后，我们发现对象头中的第一个字节10010000最后000，其中低位的两位数表示锁标记，它的值是[00],表示轻量级锁。

这里不存在竞争，应该是偏向锁，那为什么是轻量级锁呢。网上说是因为偏向锁开启会先延迟4秒，需要添加参数

-XX:BiasedLockingStartupDelay=0

然后再看：

此时看到第一个字节为00000101，末尾三位是101，第一个1表示偏向锁，后面的01表示当前是偏向锁状态。

我们可以将偏向锁的执行过程归纳如下：

补充

如果你调试一下上面的例子，就会发现加锁之前打印的结果第一个字节也是00000101，但是此时并没有加锁。一种解释是此时标记表示是可偏向的状态。

2 轻量级锁

偏向锁是没有竞争时获得锁资源，这种方式比单纯的加锁性能要高，但是如果此时真的有多个线程来竞争了该让竞争失败的先阻塞，直到被唤醒再重新抢锁。那是否有效率更高的方法呢？ 我们可以让没有抢到资源的线程进行一定次数的重试（自旋转），例如重复抢3次或者5次等等。如果抢到了就不用重试了， 否则继续阻塞。这就是轻量级锁。 上面进行一定次数的重试的过程就叫自旋锁，也是基于CAS方式实现的。

 当然自旋的次数不是没有限制的，一般是10次，而且JVM还会执行自适应的策略来优化。

轻量级锁也可以使用上面的BiasedLockExample来展示，将参数BiasedLockingStartupDelay取消掉展示的就是轻量级锁。

3 重量级锁

轻量级锁只适合在较短的时间里能获得锁的场景，如果长时间获取不到就不能一直自旋了，因为此时线程还占用了资源，但是什么都做不了，因此自旋到一定次数之后就要让其阻塞。

从上面的例子可以看到，如果在偏向锁、轻量级锁这些类型中无法让线程获得锁资源，那么这些没获得锁的线程最终的结果仍然是阻塞等待，直到获得锁的线程释放锁之后才能被唤醒，而在整个优化过程中，我们通过乐观锁的机制来保证线程的安全性。

下面这个例子演示了在加锁之前、单个线程抢占锁、多个线程抢占锁的场景，对象头中的锁的状态变化。

public class HeavyLockExample 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        HeavyLockExample heavy=new HeavyLockExample();
        System.out.println("加锁之前");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(heavy).toPrintable());
        Thread t1=new Thread(()->
            synchronized (heavy)
                try 
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                
            
        );
        t1.start();
        //确保t1线程已经运行
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
        System.out.println("t1线程抢占了锁");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(heavy).toPrintable());
        synchronized (heavy)
            System.out.println("main线程来抢占锁");
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(heavy).toPrintable());
        
        System.gc();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(heavy).toPrintable());
    

 结果比较长，我们不再贴出来，读者可以从中看到锁状态的逐步升级。