偏向锁，偏向线程id ,自旋锁

Posted 2020-11-14 yiyepiaolingruqiu

理解锁的基础知识

如果想要透彻的理解Java锁的来龙去脉，需要先了解以下基础知识。

基础知识之一：锁的类型

锁从宏观上分类，分为悲观锁与乐观锁。

乐观锁

乐观锁是一种乐观思想，即认为读多写少，遇到并发写的可能性低，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，采取在写时先读出当前版本号，然后加锁操作（比较跟上一次的版本号，如果一样则更新），如果失败则要重复读-比较-写的操作。

java中的乐观锁基本都是通过CAS操作实现的，CAS是一种更新的原子操作，比较当前值跟传入值是否一样，一样则更新，否则失败。

悲观锁

悲观锁是就是悲观思想，即认为写多，遇到并发写的可能性高，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在读写数据的时候都会上锁，这样别人想读写这个数据就会block直到拿到锁。java中的悲观锁就是Synchronized,AQS框架下的锁则是先尝试cas乐观锁去获取锁，获取不到，才会转换为悲观锁，如RetreenLock。

基础知识之二：java线程阻塞的代价

java的线程是映射到操作系统原生线程之上的，如果要阻塞或唤醒一个线程就需要操作系统介入，需要在户态与核心态之间切换，这种切换会消耗大量的系统资源，因为用户态与内核态都有各自专用的内存空间，专用的寄存器等，用户态切换至内核态需要传递给许多变量、参数给内核，内核也需要保护好用户态在切换时的一些寄存器值、变量等，以便内核态调用结束后切换回用户态继续工作。

1. 如果线程状态切换是一个高频操作时，这将会消耗很多CPU处理时间；
2. 如果对于那些需要同步的简单的代码块，获取锁挂起操作消耗的时间比用户代码执行的时间还要长，这种同步策略显然非常糟糕的。

synchronized会导致争用不到锁的线程进入阻塞状态，所以说它是java语言中一个重量级的同步操纵，被称为重量级锁，为了缓解上述性能问题，JVM从1.5开始，引入了轻量锁与偏向锁，默认启用了自旋锁，他们都属于乐观锁。

明确java线程切换的代价，是理解java中各种锁的优缺点的基础之一。

基础知识之三：markword

在介绍java锁之前，先说下什么是markword，markword是java对象数据结构中的一部分，要详细了解java对象的结构可以点击这里,这里只做markword的详细介绍，因为对象的markword和java各种类型的锁密切相关；

markword数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit，它的最后2bit是锁状态标志位，用来标记当前对象的状态，对象的所处的状态，决定了markword存储的内容，如下表所示:

状态	标志位	存储内容
未锁定	01	对象哈希码、对象分代年龄
轻量级锁定	00	指向锁记录的指针
膨胀(重量级锁定)	10	执行重量级锁定的指针
GC标记	11	空(不需要记录信息)
可偏向	01	偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄

32位虚拟机在不同状态下markword结构如下图所示：

了解了markword结构，有助于后面了解java锁的加锁解锁过程；

小结

前面提到了java的4种锁，他们分别是重量级锁、自旋锁、轻量级锁和偏向锁， 
不同的锁有不同特点，每种锁只有在其特定的场景下，才会有出色的表现，java中没有哪种锁能够在所有情况下都能有出色的效率，引入这么多锁的原因就是为了应对不同的情况；

前面讲到了重量级锁是悲观锁的一种，自旋锁、轻量级锁与偏向锁属于乐观锁，所以现在你就能够大致理解了他们的适用范围，但是具体如何使用这几种锁呢，就要看后面的具体分析他们的特性；

 

 

重量级锁Synchronized

　　

 

 

 　　

它有多个队列，当多个线程一起访问某个对象监视器的时候，对象监视器会将这些线程存储在不同的容器中。

1. Contention List：竞争队列，所有请求锁的线程首先被放在这个竞争队列中；

2. Entry List：Contention List中那些有资格成为候选资源的线程被移动到Entry List中；

3. Wait Set：哪些调用wait方法被阻塞的线程被放置在这里；

4. OnDeck：任意时刻，最多只有一个线程正在竞争锁资源，该线程被成为OnDeck；

5. Owner：当前已经获取到所资源的线程被称为Owner；

6. !Owner：当前释放锁的线程。

JVM每次从队列的尾部取出一个数据用于锁竞争候选者（OnDeck），但是并发情况下，ContentionList会被大量的并发线程进行CAS访问，为了降低对尾部元素的竞争，JVM会将一部分线程移动到EntryList中作为候选竞争线程。Owner线程会在unlock时，将ContentionList中的部分线程迁移到EntryList中，并指定EntryList中的某个线程为OnDeck线程（一般是最先进去的那个线程）。Owner线程并不直接把锁传递给OnDeck线程，而是把锁竞争的权利交给OnDeck，OnDeck需要重新竞争锁。这样虽然牺牲了一些公平性，但是能极大的提升系统的吞吐量，在JVM中，也把这种选择行为称之为“竞争切换”。

OnDeck线程获取到锁资源后会变为Owner线程，而没有得到锁资源的仍然停留在EntryList中。如果Owner线程被wait方法阻塞，则转移到WaitSet队列中，直到某个时刻通过notify或者notifyAll唤醒，会重新进去EntryList中。

处于ContentionList、EntryList、WaitSet中的线程都处于阻塞状态，该阻塞是由操作系统来完成的（Linux内核下采用pthread_mutex_lock内核函数实现的）。

Synchronized是非公平锁。 Synchronized在线程进入ContentionList时，等待的线程会先尝试自旋获取锁，如果获取不到就进入ContentionList，这明显对于已经进入队列的线程是不公平的，还有一个不公平的事情就是自旋获取锁的线程还可能直接抢占OnDeck线程的锁资源。

 

 

 

对于synchronized这个关键字，可能之前大家有听过，他是一个重量级锁，开销很大，建议大家少用点。但大家可能也听说过，但到了jdk1.6之后，该关键字被进行了很多的优化，已经不像以前那样不给力了，建议大家多使用。

那么它是进行了什么样的优化，才使得synchronized又深得人心呢？为何重量级锁开销就大呢？

重量锁在多线程下会导致线程阻塞；

但是阻塞或者唤醒一个线程时，都需要操作系统来帮忙，这就需要从用户态转换到内核态，而转换状态是需要消耗很多时间的，有可能比用户执行代码的时间还要长。
这就是说为什么重量级线程开销很大的。

 

 

 

下面我讲一步一步讲解synchronized是如何被优化的，是如何从偏向锁到重量级锁的。

 

 

偏向锁

  偏向锁是jdk1.6引入的一项锁优化，其中的“偏”是偏心的偏。它的意思就是说，这个锁会偏向于第一个获得它的线程，在接下来的执行过程中，假如该锁没有被其他线程所获取，没有其他线程来竞争该锁，那么持有偏向锁的线程将永远不需要进行同步操作。
也就是说:
在此线程之后的执行过程中，如果再次进入或者退出同一段同步块代码，并不再需要去进行加锁或者解锁操作

当我们创建一个对象LockObject时，该对象的部分Markword关键数据如下。

不过，当线程执行到临界区（critical section）时，此时会利用CAS(Compare and Swap)操作，将线程ID插入到Markword中，同时修改偏向锁的标志位。

此时的Mark word的结构信息如下：

bit fields		是否偏向锁	锁标志位
threadId	epoch	1	01

此时偏向锁的状态为“1”，说明对象的偏向锁生效了，

总结下偏向锁的步骤：

1. Load-and-test，也就是简单判断一下当前线程id是否与Markword当中的线程id是否一致.
2. 如果一致，则说明此线程已经成功获得了锁，继续执行下面的代码.
3. 如果不一致，则要检查一下对象是否还是可偏向，即“是否偏向锁”标志位的值。
4. 如果还未偏向，则利用CAS操作来竞争锁，也即是第一次获取锁时的操作。

如果此对象已经偏向了，并且不是偏向自己，则说明存在了竞争。此时可能就要根据另外线程的情况，可能是重新偏向，也有可能是做偏向撤销，但大部分情况下就是升级成轻量级锁了。
可以看出，偏向锁是针对于一个线程而言的，线程获得锁之后就不会再有解锁等操作了，这样可以省略很多开销。假如有两个线程来竞争该锁话，那么偏向锁就失效了，进而升级成轻量级锁了。
为什么要这样做呢？因为经验表明，其实大部分情况下，都会是同一个线程进入同一块同步代码块的。这也是为什么会有偏向锁出现的原因。
 在Jdk1.6中，偏向锁的开关是默认开启的，适用于只有一个线程访问同步块的场景。

　　　　

 

 

始终只有一个线程在执行同步块 在有锁的竞争时，偏向锁会多做很多额外操作，尤其是撤销偏向所的时候会导致进入安全点，安全点会导致stw，导致性能下降，这种情况下应当禁用；

查看停顿–安全点停顿日志

要查看安全点停顿，可以打开安全点日志，通过设置JVM参数 -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime 会打出系统停止的时间，添加-XX:+PrintSafepointStatistics -XX:PrintSafepointStatisticsCount=1 这两个参数会打印出详细信息，可以查看到使用偏向锁导致的停顿，时间非常短暂，但是争用严重的情况下，停顿次数也会非常多；

注意：安全点日志不能一直打开： 
1. 安全点日志默认输出到stdout，一是stdout日志的整洁性，二是stdout所重定向的文件如果不在/dev/shm，可能被锁。 
2. 对于一些很短的停顿，比如取消偏向锁，打印的消耗比停顿本身还大。 
3. 安全点日志是在安全点内打印的，本身加大了安全点的停顿时间。

所以安全日志应该只在问题排查时打开。 
如果在生产系统上要打开，再再增加下面四个参数： 
-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX: -DisplayVMOutput -XX:+LogVMOutput -XX:LogFile=/dev/shm/vm.log 
打开Diagnostic（只是开放了更多的flag可选，不会主动激活某个flag），关掉输出VM日志到stdout，输出到独立文件,/dev/shm目录（内存文件系统）。

此日志分三部分： 
第一部分是时间戳，VM Operation的类型 
第二部分是线程概况，被中括号括起来 
total: 安全点里的总线程数 
initially_running: 安全点时开始时正在运行状态的线程数 
wait_to_block: 在VM Operation开始前需要等待其暂停的线程数

第三部分是到达安全点时的各个阶段以及执行操作所花的时间，其中最重要的是vmop

• spin: 等待线程响应safepoint号召的时间；
• block: 暂停所有线程所用的时间；
• sync: 等于 spin+block，这是从开始到进入安全点所耗的时间，可用于判断进入安全点耗时；
• cleanup: 清理所用时间；
• vmop: 真正执行VM Operation的时间。

可见，那些很多但又很短的安全点，全都是RevokeBias， 高并发的应用会禁用掉偏向锁。

jvm开启/关闭偏向锁

• 开启偏向锁：-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
• 关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking

 

 

锁膨胀

刚才说了，当出现有两个线程来竞争锁的话，那么偏向锁就失效了，此时锁就会膨胀，升级为轻量级锁。这也是我们经常所说的锁膨胀

锁撤销

由于偏向锁失效了，那么接下来就得把该锁撤销，锁撤销的开销花费还是挺大的，其大概的过程如下：

1. 在一个安全点停止拥有锁的线程。
2. 遍历线程栈，如果存在锁记录的话，需要修复锁记录和Markword，使其变成无锁状态。
3. 唤醒当前线程，将当前锁升级成轻量级锁。
   所以，如果某些同步代码块大多数情况下都是有两个及以上的线程竞争的话，那么偏向锁就会是一种累赘，对于这种情况，我们可以一开始就把偏向锁这个默认功能给关闭

轻量级锁

 

在代码进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定（锁标志位为“01”状态），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的MarkWord的拷贝（官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced Mark Word），这时候线程堆栈与对象头的状态如图13-3所示。

然后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位（Mark Word的最后2bit）将转变为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态，这时候线程堆栈与对象头的状态如图13-4所示。

如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果只说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。

上面描述的是轻量级锁的加锁过程，它的解锁过程也是通过CAS操作来进行的，如果对象的Mark Word仍然指向着线程的锁记录，那就用CAS操作把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来，如果替换成功，整个同步过程就完成了。如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

轻量级锁能提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”，这是一个经验数据。如果没有竞争，轻量级锁使用CAS操作避免了使用互斥量的开销，但如果存在锁竞争，除了互斥量的开销外，还额外发生了CAS操作，因此在有竞争的情况下，轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。

 

 

 

 总结偏向锁撤销以后升级为轻量级锁的过程：

1. 线程在自己的栈桢中创建锁记录 LockRecord。
2. 将锁对象的对象头中的MarkWord复制到线程的刚刚创建的锁记录中。
3. 将锁记录中的Owner指针指向锁对象。
4. 将锁对象的对象头的MarkWord替换为指向锁记录的指针对应的图描述如下(图来自周志明深入java虚拟机)
   
   
   

轻量级锁主要有两种

1. 自旋锁
2. 自适应自旋锁

自旋锁

所谓自旋，就是指当有另外一个线程来竞争锁时，这个线程会在原地循环等待，而不是把该线程给阻塞，直到那个获得锁的线程释放锁之后，这个线程就可以马上获得锁的。
注意，锁在原地循环的时候，是会消耗cpu的，就相当于在执行一个啥也没有的for循环。
所以，轻量级锁适用于那些同步代码块执行的很快的场景，这样，线程原地等待很短很短的时间就能够获得锁了。
经验表明，大部分同步代码块执行的时间都是很短很短的，也正是基于这个原因，才有了轻量级锁这么个东西。

自旋锁的一些问题

1. 如果同步代码块执行的很慢，需要消耗大量的时间，那么这个时侯，其他线程在原地等待空消耗cpu，这会让人很难受。
2. 本来一个线程把锁释放之后，当前线程是能够获得锁的，但是假如这个时候有好几个线程都在竞争这个锁的话，那么有可能当前线程会获取不到锁，还得原地等待继续空循环消耗cup，甚至有可能一直获取不到锁。

基于这个问题，我们必须给线程空循环设置一个次数，当线程超过了这个次数，我们就认为，继续使用自旋锁就不适合了，此时锁会再次膨胀，升级为重量级锁。
默认情况下，自旋的次数为10次，用户可以通过-XX:PreBlockSpin来进行更改。

自旋锁是在JDK1.4.2的时候引入的

自适应自旋锁

所谓自适应自旋锁就是线程空循环等待的自旋次数并非是固定的，而是会动态着根据实际情况来改变自旋等待的次数。
其大概原理是这样的：
假如一个线程1刚刚成功获得一个锁，当它把锁释放了之后，线程2获得该锁，并且线程2在运行的过程中，此时线程1又想来获得该锁了，但线程2还没有释放该锁，所以线程1只能自旋等待，但是虚拟机认为，由于线程1刚刚获得过该锁，那么虚拟机觉得线程1这次自旋也是很有可能能够再次成功获得该锁的，所以会延长线程1自旋的次数。
另外，如果对于某一个锁，一个线程自旋之后，很少成功获得该锁，那么以后这个线程要获取该锁时，是有可能直接忽略掉自旋过程，直接升级为重量级锁的，以免空循环等待浪费资源。

轻量级锁也被称为非阻塞同步、乐观锁，因为这个过程并没有把线程阻塞挂起，而是让线程空循环等待，串行执行。

 

 

 

 

锁优点的比较