Java 中的锁 synchronized
Java juc 锁 About 21,632 words锁的状态
无锁状态、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。
偏向锁加锁过程
- 访问
Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1，锁标志位是否为01，确认为可偏向状态。 - 如果为可偏向状态，则判断
Mark Word中记录的线程ID是否指向当前线程，如果是，进入步骤（5），否则进入步骤（3）。 - 如果线程
ID并未指向当前线程，则通过CAS操作竞争锁。如果竞争成功，则将Mark Word中线程ID设置为当前线程ID，然后执行（5）；如果竞争失败，执行（4）。 - 如果
CAS获取偏向锁失败，则表示有竞争。当到达全局安全点（safepoint）时获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码。 - 执行同步代码。
偏向锁的释放
偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动去释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态，撤销偏向锁后恢复到未锁定（标志位为001）或轻量级锁（标志位为000）的状态。
轻量级锁加锁过程
- 代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为
001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Mark Word的拷贝，官方称之为Displaced Mark Word。 - 拷贝对象头中的
Mark Word复制到锁记录中。 - 拷贝成功后，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，并将Lock record里的owner指针指向object mark word。如果更新成功，则执行步骤（3），否则执行步骤（4）。 - 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的锁标志位设置为000，即表示此对象处于轻量级锁定状态。 - 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，如果是就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。否则说明多个线程竞争锁，轻量级锁就要升级为重量级锁，锁标志的状态值变为010，Mark Word中存储的就是指向重量级锁的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。而当前线程便尝试使用自旋来获取锁，自旋就是为了不让线程阻塞，而采用循环去获取锁的过程。
轻量级锁的释放
- 通过
CAS操作尝试把线程中复制的Displaced Mark Word对象替换当前的Mark Word。 - 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（此时锁已升级），那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。
Mark Word 示意图
锁标志位
根据Mark Word示意图可知，最后三位确定锁的状态：
- 无锁状态：
001 - 偏向锁：
101 - 轻量级锁：
000 - 重量级锁：
010
jol
使用OpenJDK提供的jol分析对象的布局，包括：Mark Word，类型压缩、实例数据、内存填充。
Object lock1 = new Object();
System.out.println("lock1 hashcodeHex#" + Integer.toHexString(lock1.hashCode()));
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lock1).toPrintable());输出：
lock1 hashcodeHex#1540e19d
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 9d e1 40 (00000001 10011101 11100001 01000000) (1088527617)
4 4 (object header) 15 00 00 00 (00010101 00000000 00000000 00000000) (21)
8 4 (object header) e5 01 00 20 (11100101 00000001 00000000 00100000) (536871397)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total注意
由于大多数CPU都是小端存储，所以存储后打印顺序是反向的。
大端模式（Big-endian）：是指数据的高字节，保存在内存的低地址中，而数据的低字节，保存在内存的高地址中，这样的存储模式有点儿类似于把数据当作字符串顺序处理，地址由小向大增加，而数据从高位往低位放。
小端模式（Little-endian）：是指数据的高字节保存在内存的高地址中，而数据的低字节保存在内在的低地址中，这样的存储模式将地址的高低和数据位权有效结合起来，高地址部分权值高，低地址部分权值低。
十六进制应该是这样的：1540e19d，二进制应该是这样的：（后8位为分代年龄、锁标志位等其他信息）
00000000 00000000 00000000 00010101 01000000 11100001 10011101 00000001但是，实际十六进制哈希值是这样的：9de14015，二进制实际是这样的：
00000001 10011101 11100001 01000000 00010101 00000000 00000000 00000000对象布局
示意图
说明
普通对象在开启类指针压缩后对象头：前8为Mark Word信息，后4位为类指针。
数组对象在开启类指针压缩后对象头：前8为Mark Word信息，中间4为类指针，后4位为数组长度。
JDK1.8后默认开启了类指针压缩，可使用-XX:-UseCompressedClassPointers关闭。
示例代码
public static void classLayout() {
Object obj = new Object();
System.out.println("obj hashcodeHex#" + Integer.toHexString(obj.hashCode()));
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
System.out.println("----------------------------------------------------------");
int[] arr = new int[10];
System.out.println("arr hashcodeHex#" + Integer.toHexString(Arrays.hashCode(arr)));
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(arr).toPrintable());
}开启类指针压缩
JDK1.8默认开启了类指针压缩
obj hashcodeHex#1540e19d
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 9d e1 40 (00000001 10011101 11100001 01000000) (1088527617)
4 4 (object header) 15 00 00 00 (00010101 00000000 00000000 00000000) (21)
8 4 (object header) e5 01 00 20 (11100101 00000001 00000000 00100000) (536871397)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
----------------------------------------------------------
arr hashcodeHex#94e4b2c1
[I 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) 6d 01 00 20 (01101101 00000001 00000000 00100000) (536871277)
12 4 (object header) 0a 00 00 00 (00001010 00000000 00000000 00000000) (10)
16 40 int [I.<elements> N/A
Instance size: 56 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total关闭类指针压缩
启动时添加：-XX:-UseCompressedClassPointers
obj hashcodeHex#1540e19d
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 9d e1 40 (00000001 10011101 11100001 01000000) (1088527617)
4 4 (object header) 15 00 00 00 (00010101 00000000 00000000 00000000) (21)
8 4 (object header) 00 1c a8 17 (00000000 00011100 10101000 00010111) (396893184)
12 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total
----------------------------------------------------------
arr hashcodeHex#94e4b2c1
[I 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) 68 0b a8 17 (01101000 00001011 10101000 00010111) (396888936)
12 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
16 4 (object header) 0a 00 00 00 (00001010 00000000 00000000 00000000) (10)
20 4 (alignment/padding gap)
24 40 int [I.<elements> N/A
Instance size: 64 bytes
Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total偏向锁
适应只有一个线程执行的场景，如出现了两个线程不管是交替执行还是同时竞争，偏向锁都将升级为重量级锁。
在同步代码块（synchronized代码块）外调用hashCode方法后（重写后的hashCode方法不影响），hashCode会写进头信息中，偏向锁也升级为轻量级锁。
在同步代码块（synchronized代码块）内调用hashCode方法后（重写后的hashCode方法不影响），hashCode会写进头信息中，偏向锁也升级为重量级锁。
偏向锁的演示需等程序启动5秒后，或者添加jvm参数：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0，表示偏向锁启动延迟时间为0秒。
JDK1.6后JVM默认开启偏向锁，如需禁用偏向锁可添加参数：-XX:-UseBiasedLocking。
偏向锁相关问题
问：为什么调用hashCode方法后偏向锁会升级？
答：哈希值默认是0调用hashCode方法后会生成一个31位长度的值，而偏向锁需要储存54位长度的线程ID的值，故没有更多空间储存31位长度的哈希值，只能让偏向锁升级。
问：轻量级锁和重量级锁调用hashCode方法后，31位长度的哈希值储存在什么位置？
答：轻量级锁调用hashCode方法后将31位长度的哈希值储存在线程栈的Lock Record中，重量级锁调用hashCode方法后将31位长度的哈希值储存在Monitor对象中。
示例代码
被注释掉的线程A'打开注释后，两个线程争夺lock1锁，偏向锁也就会升级为重量锁。
public static void biasedLock() throws InterruptedException {
// 等待偏向锁启动
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
System.out.println("开始演示...");
Object lock1 = new Object() {
@Override
public int hashCode() {
return 123456;
}
};
Object lock2 = new Object();
Object lock3 = new Object();
new Thread(() -> {
synchronized (lock1) {
System.out.println("lock1 Thread id#" + Thread.currentThread().getId() + ", hashCode#" + Thread.currentThread().hashCode() + ", hashCodeHex#" + Integer.toHexString(Thread.currentThread().hashCode()));
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lock1).toPrintable() + "\n##########################################");
}
}, "A").start();
/*new Thread(() -> {
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(2); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
synchronized (lock1) {
System.out.println("lock1' Thread id#" + Thread.currentThread().getId() + ", hashCode#" + Thread.currentThread().hashCode() + ", hashCodeHex#" + Integer.toHexString(Thread.currentThread().hashCode()));
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lock1).toPrintable() + "\n##########################################");
}
}, "A'").start();*/
new Thread(() -> {
synchronized (lock2) {
System.out.println("lock2 hashcodeHex#" + Integer.toHexString(lock2.hashCode()));
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lock2).toPrintable() + "\n------------------------------------------");
}
}, "B").start();
System.out.println("lock3 hashcodeHex#" + Integer.toHexString(lock3.hashCode()));
new Thread(() -> {
synchronized (lock3) {
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lock3).toPrintable() + "\n******************************************");
}
}, "C").start();
}头信息
可以看到：
- 线程
A没有其他线程竞争锁lock1，锁的标志位为101（偏向锁） - 线程
B在同步代码块内调用了hashCode，偏向锁升级为重量级锁，锁的标志位为010（重量级锁） - 线程
C在同步代码块外调用了hashCode，偏向锁升级为轻量级锁，锁的标志位为000（轻量级锁） - 若打开注释掉的线程
A'，则偏向锁lock1将升级为重量级锁
开始演示...
lock3 hashcodeHex#404b9385
lock2 hashcodeHex#795b7822
lock1 Thread id#12, hashCode#396953361, hashCodeHex#17a90711
lock.SynchronizedDemo$1 object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 05 00 d9 19 (00000101 00000000 11011001 00011001) (433651717)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 43 c1 00 20 (01000011 11000001 00000000 00100000) (536920387)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
##########################################
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 4a 34 ad 17 (01001010 00110100 10101101 00010111) (397227082)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) e5 01 00 20 (11100101 00000001 00000000 00100000) (536871397)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
------------------------------------------
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 10 f0 2a 1b (00010000 11110000 00101010 00011011) (455798800)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) e5 01 00 20 (11100101 00000001 00000000 00100000) (536871397)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
******************************************疑惑
很多博客上写到偏向锁的前54位表示线程id，从jol打印的线程id来看，两者并不相等，希望有大佬能留言赐教。
轻量级锁
不同线程交替执行。如果上锁线程未执行完成，又有线程来抢锁，则轻量级锁将升级为重量级锁。
使用CAS自旋锁方式上锁。
示例代码
public static void lightweightLock() {
Object lock = new Object();
System.out.println("Thread id#" + Thread.currentThread().getId());
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
System.out.println("----------------------------------------------");
new Thread(() -> {
synchronized (lock) {
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable() + "\n##########################################");
}
}, "A").start();
new Thread(() -> {
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(2); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
synchronized (lock) {
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable() + "\n##########################################");
}
}, "B").start();
new Thread(() -> {
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(4); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
synchronized (lock) {
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable() + "\n##########################################");
}
}, "C").start();
new Thread(() -> {
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(4); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
synchronized (lock) {
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable() + "\n++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++");
}
}, "D").start();
}头信息
可以看到：
- 未上锁前的锁标志位为
001（无锁状态） - 线程
A执行时的锁标志位为000（轻量级锁） - 两秒后线程
B在线程A释放了锁的前提下执行（即：交替执行）时的锁标志位为000（轻量级锁） - 四秒后线程
C和线程D同时启动竞争锁，锁由轻量级升级为重量级，此时线程C和线程D的锁标志位都为010（重量级锁）
Thread id#1
java.lang.Object 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) e5 01 00 20 (11100101 00000001 00000000 00100000) (536871397)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
----------------------------------------------
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) b0 ef ac 1b (10110000 11101111 10101100 00011011) (464318384)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) e5 01 00 20 (11100101 00000001 00000000 00100000) (536871397)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
##########################################
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) b0 f2 bc 1b (10110000 11110010 10111100 00011011) (465367728)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) e5 01 00 20 (11100101 00000001 00000000 00100000) (536871397)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
##########################################
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 0a e8 51 03 (00001010 11101000 01010001 00000011) (55699466)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) e5 01 00 20 (11100101 00000001 00000000 00100000) (536871397)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
##########################################
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 0a e8 51 03 (00001010 11101000 01010001 00000011) (55699466)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) e5 01 00 20 (11100101 00000001 00000000 00100000) (536871397)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++重量级锁
不同线程竞争同一资源。
效率低下原因：对象内部的一个叫做监视器锁（monitor）来实现的，但是监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的，而操作系统实现线程之间的切换这就需要从用户态转换到内核态，这个成本非常高，状态之间的转换需要相对较长的时间。
示例代码
public static void heavyweightLock() {
Object lock = new Object();
System.out.println("Thread id#" + Thread.currentThread().getId());
System.out.println("lock hashcode#" + Integer.toHexString(lock.hashCode()));
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
System.out.println("----------------------------------------------");
new Thread(() -> {
synchronized (lock) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
System.out.println("##########################################");
}
}).start();
new Thread(() -> {
synchronized (lock) {
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
}
}).start();
}头信息
Thread id#1
lock hashcode#1540e19d
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 9d e1 40 (00000001 10011101 11100001 01000000) (1088527617)
4 4 (object header) 15 00 00 00 (00010101 00000000 00000000 00000000) (21)
8 4 (object header) e5 01 00 20 (11100101 00000001 00000000 00100000) (536871397)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
----------------------------------------------
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) ba 34 f5 17 (10111010 00110100 11110101 00010111) (401945786)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) e5 01 00 20 (11100101 00000001 00000000 00100000) (536871397)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
##########################################
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) ba 34 f5 17 (10111010 00110100 11110101 00010111) (401945786)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) e5 01 00 20 (11100101 00000001 00000000 00100000) (536871397)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total其他优化
适应性自旋 Adaptive Spinning
从轻量级锁获取的流程中我们知道，当线程在获取轻量级锁的过程中执行CAS操作失败时，是要通过自旋来获取重量级锁的。问题在于，自旋是需要消耗CPU的，如果一直获取不到锁的话，那该线程就一直处在自旋状态，白白浪费CPU资源。解决这个问题最简单的办法就是指定自旋的次数，例如让其循环10次，如果还没获取到锁就进入阻塞状态。但是JDK采用了更聪明的方式——适应性自旋，简单来说就是线程如果自旋成功了，则下次自旋的次数会更多，如果自旋失败了，则自旋的次数就会减少。
锁粗化 Lock Coarsening
将多次连接在一起的加锁、解锁操作合并为一次，将多个连续的锁扩展成一个范围更大的锁。
示例代码：
public void test() {
Object lock = new Object();
synchronized (lock) {
System.out.println("11111111");
}
synchronized (lock) {
System.out.println("22222222");
}
synchronized (lock) {
System.out.println("33333333");
}
}锁粗化后：
public void test() {
Object lock = new Object();
synchronized (lock) {
System.out.println("11111111");
System.out.println("22222222");
System.out.println("33333333");
}
}锁消除 Lock Elimination
锁消除即删除不必要的加锁操作。根据代码逃逸技术，如果判断到一段代码中，堆上的数据不会逃逸出当前线程，那么可以认为这段代码是线程安全的，不必要加锁。
示例代码：
public class LockEliminationDemo {
public void append(String str1, String str2) {
StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
stringBuffer.append(str1).append(str2);
}
public static void main(String[] args) {
LockEliminationDemo lockEliminationDemo = new LockEliminationDemo();
long startTs = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
lockEliminationDemo.append("a", "b");
}
System.out.println(System.currentTimeMillis() - startTs);
}
}输出如下，可以看到JDK1.8是默认开启锁消除的，关闭锁消除后执行时间上升1.5倍：
PS D:\src> java LockEliminationDemo
1552
PS D:\src> java -XX:-EliminateLocks LockEliminationDemo
4448
PS D:\src> java -XX:-EliminateLocks LockEliminationDemo
4457
PS D:\src> java -XX:+EliminateLocks LockEliminationDemo
1553
PS D:\src> java -XX:+EliminateLocks LockEliminationDemo
1541参考
https://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/biasedlocking-oopsla2006-preso-150106.pdf
Views: 2,086 · Posted: 2021-04-04
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