看看我给面试官是如何娓娓道来synchronized锁升级过程的

Posted 2023-01-18 李子捌

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了看看我给面试官是如何娓娓道来synchronized锁升级过程的相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

备战2022春招或暑期实习，祝大家每天进步亿点点！Java并发编程Day8
本篇总结的是如何在Java中避免创建不必要的对象，后续会每日更新~
关于《我们一起学Redis》、《我们一起学HarmonyOS》等知识点可以查看我的往期博客
相信自己，越活越坚强，活着就该逢山开路，遇水架桥！生活，你给我压力，我还你奇迹！

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();
    log.info("线程t2释放锁之后...");
    log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());

可以看到t2线程在t1线程之后持有锁，此时锁由偏向锁升级为轻量级锁了，在t2释放锁之后，锁并没有变化偏向锁，而是回到了轻量级锁状态，这也说明了锁的升级过程是不可逆的。

2.3 轻量级锁

轻量级锁的简介

在我的《图解栈帧》一文中有这样一张图，每个线程运行时虚拟机会在虚拟机栈中为每个线程分配一块栈内存，线程执行的每一个方法会在线程栈中压入一个栈帧，每个方法的栈帧组成结构中有一个部分叫做锁记录。

当时是不是在想，这个锁记录是用来干啥的呢？
其实这个锁记录就是用来解决轻量级锁的。

当锁处于轻量级锁状态时，线程在执行同步代码之前，JVM会现在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间——这个就是锁记录，并且将锁对象头中的Mark Word复制到锁记录中，然后通过CAS尝试将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针，如果替换成功则当前线程获得锁，如果失败则尝试自旋获取锁，自旋获取锁又有成功和失败两种情况，如果自旋获取锁失败了则锁膨胀为重量级锁。

在32位虚拟机中，处于轻量级锁的对象头的Mark Word组成如下所示：

在64位虚拟机中，处于轻量级锁的对象头的Mark Word组成如下所示：

看到一段轻量级锁代码：

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

    log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
    synchronized (lock) 
        log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());

为了方便演示，通过VM参数-XX:-UseBiasedLocking关闭了偏向锁，初始为无锁状态，在获取锁时Mark Word中记录的是锁地址的指针（注意最后两位00表示轻量级锁，其他表示锁地址指针）

具体实现方式

上面说了轻量级锁时，JVM会尝试将栈帧的锁记录地址设值到锁对象头的Mark Word中，那具体是怎么替换呢？
首先来看锁记录的内部构造:

锁记录有一个Lock Record地址，Lock Record地址用于记录锁记录的内存地址，当前线程通过CAS替换锁对象的Mark Word，如果成功则会将Mark Word的前62位信息记录在Lock Record地址中，Lock Record地址中的锁记录地址写入Mark Word中。
Object Reference用于记录锁对象的内存地址，当获取锁成功时Object Reference替换为锁对象内存地址

我们通过如下示例代码来查看轻量级锁的加锁过程和解锁过程：

package com.test;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

/**
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/12/4 22:50
 */
@Slf4j
public class ThinLockingDemo 

    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(() -> 
            method1();
        , "Thread-1");

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

    

    private static void method2() 
        synchronized (lock) 
            log.info("线程t1第二次持有锁时...");
            log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
        
    

    private static void method1() 
        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());
        

        method2();

首先在t1线程启动之后，执行method1()方法时，虚拟机会为在t1线程的虚拟机栈中压入一个栈帧，该栈帧中会有一个锁记录Lock Record，此时栈帧中的锁记录和锁对象关系如图：

t1线程通过CAS尝试将Lock锁对象的对象头的Mark Word替换为自己的锁记录地址，并将Mark Word中的值保存到Lock Record中，并且Object Reference将会记录锁对象Lock的内存地址，此时栈帧中的锁记录和锁对象关系如图如图：

接着method1()中调用了method2()也就是轻量级锁重入，此时CAS替换肯定是不成功的，因为锁对象的Mark Word已经被替换了，并且锁状态以及被标记位00，但是当前线程发现锁记录地址是自己栈帧中的锁记录地址，此时会在method2()的栈帧中新增一个Lock Record地址为null的锁记录，此时栈帧中的锁记录和锁对象关系如图如图：

最后method1方法执行结束之后，method1会在释放锁的时候通过CAS将锁对象的对象头的Mark Word中的数据替换回去，如果CAS成功则回到初始状态，但是存在一种CAS失败的情况，线程t1在持有锁对象的时候，其他线程尝试获取锁失败了，此时锁会膨胀为重量级锁，这个过程如下所示：

如下所示，t1线程替换成功，t2线程替换失败（t2线程不会一次就失败，会自适应一定次数自旋CAS替换未成功，则替换失败）：

此时会发生锁膨胀，这个膨胀过程由t2完成，t2线程会为当前锁对象关联一个monitor对象，并将锁对象Lock的对象头替换为Monitor的内存地址，将锁状态位修改为10，然后自己进入Monitor的EntryList等待队列中阻塞，等待被唤醒重新竞争锁，这个过程如下所示：

当t1线程运行结束尝试通过CAS替换锁对象Lock的Mark Word时，此时替换会失败，因为锁对象Lock的Mark Word已经被t2线程修改成Monitor的地址了，那怎么办呢？这个时候就得按照重量级锁那一套流程走了，t1线程会根据Mark Word中的Monitor内存地址找到Monitor对象，将Owner设置为null，并且将阻塞在EntryList中的线程唤醒，此时t2就可以重新参与锁对象Lock的竞争了，此时锁对象已经膨胀为重量级锁了。

最后我们来通过代码看下锁膨胀过程：

package com.test;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/12/5 00:21
 */
@Slf4j
public class ThinLockingDemo 

    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(() -> 
            method1();
        , "Thread-1");

        Thread t2 = new Thread(() -> 
            method2();
        , "Thread-2");

        t1.start();
        // 运行t1先获取锁
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.info("线程t1释放锁之后...");
        log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());

    

    private static void method1() 
        synchronized (lock) 
            log.info("线程t1持有锁时...");
            log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
            try 
                // t1睡眠5秒，允许t2竞争锁
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
             catch (InterruptedException e) 
                e.printStackTrace();
            
        
    

    private static void method2() 
        synchronized (lock) 
            log.info("线程t2持有锁时...");
            log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
            try 
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
             catch (InterruptedException e) 
                e.printStackTrace();

2.4 重量级锁

重量级锁看我的Monitor文章即可！

以上是关于看看我给面试官是如何娓娓道来synchronized锁升级过程的的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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