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Java synchronized的鎖升級(jí)過(guò)程詳解

更新時(shí)間：2024年04月26日 09:05:27 作者：大明哥_

在 JDK 1.6之前,synchronized 是一個(gè)重量級(jí)、效率比較低下的鎖,但是在JDK 1.6后,JVM 為了提高鎖的獲取與釋放效,,對(duì) synchronized 進(jìn)行了優(yōu)化,所以本文給大家介紹了synchronized的鎖升級(jí)過(guò)程,需要的朋友可以參考下

介紹

在 JDK 1.6之前，synchronized 是一個(gè)重量級(jí)、效率比較低下的鎖，但是在JDK 1.6后，JVM 為了提高鎖的獲取與釋放效，,對(duì) synchronized 進(jìn)行了優(yōu)化，引入了偏向鎖和輕量級(jí)鎖，至此，鎖的狀態(tài)有四種，級(jí)別由低到高依次為：無(wú)鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖。

鎖升級(jí)就是無(wú)鎖 —> 偏向鎖 —> 輕量級(jí)鎖 —> 重量級(jí)鎖 的一個(gè)過(guò)程，注意，鎖只能升級(jí)，不能降級(jí)。

原理詳解

對(duì)象頭

HotSpot 虛擬機(jī)中，對(duì)象在內(nèi)存中存儲(chǔ)布局可以分為三塊區(qū)域：對(duì)象頭（Header）、實(shí)例數(shù)據(jù)（Instance Data）和對(duì)齊填充（Padding）：

對(duì)象頭：分為Mark Word 和對(duì)象指針
- Mark Word：存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時(shí)間戳等。
- 對(duì)象指針：存儲(chǔ)指向類(lèi)元數(shù)據(jù)的指針，使得能夠訪問(wèn)對(duì)象屬于的類(lèi)的信息。
實(shí)例數(shù)據(jù)：存儲(chǔ)對(duì)象的實(shí)際有效信息，也就是我們?cè)陬?lèi)中所定義的各種類(lèi)型的字段內(nèi)容。
對(duì)齊填充：可選字段，通常存在于對(duì)象的末尾，用于確保對(duì)象的大小是8字節(jié)的倍數(shù)（因?yàn)樵S多JVM都使用8字節(jié)的對(duì)象對(duì)齊）。這是出于性能考慮，使得對(duì)象的地址在內(nèi)存中是對(duì)齊的。

synchronized 鎖相關(guān)的信息主要是在 Mark Word 區(qū)域，我們先看看 Mark Word。

Mark Word

synchronized 用的鎖存在鎖對(duì)象的對(duì)象頭的Mark Word中，我們先看 Mark Word 到底長(zhǎng)什么樣。

鎖分類(lèi)

無(wú)鎖

無(wú)鎖可以理解為單線程輕松愉快地運(yùn)行，沒(méi)有其他的線程來(lái)和其競(jìng)爭(zhēng)。但是無(wú)鎖不代表沒(méi)有同步，它只是表示鎖對(duì)象目前沒(méi)有被任何線程顯式鎖定。

偏向鎖

偏向鎖 JDK 1.6 引入的一種鎖優(yōu)化機(jī)制。

何謂“偏向”？就是鎖對(duì)象會(huì)偏向于第一個(gè)獲得它的線程。什么意思呢。

當(dāng)一個(gè)線程訪問(wèn)同步代碼塊并獲取鎖時(shí)，該鎖會(huì)進(jìn)入偏向模式，鎖標(biāo)志的狀態(tài)將被設(shè)置為偏向（01），并且鎖的擁有者被設(shè)置為當(dāng)前線程（偏向鎖線程 id = 當(dāng)前線程 id）。當(dāng)該線程執(zhí)行完同步代碼塊后，線程并不會(huì)主動(dòng)釋放偏向鎖。當(dāng)線程再次進(jìn)入同步代碼塊時(shí)，會(huì)首先判斷此時(shí)持有鎖的線程與它是否為同一線程，如果是則正常往下執(zhí)行，由于此前是沒(méi)有釋放鎖的，所以這次就不會(huì)有任何的獲取鎖操作。

所以，偏向鎖是指當(dāng)一段同步代碼一直被同一個(gè)線程所訪問(wèn)時(shí)，就不存在所謂的多線程競(jìng)爭(zhēng)了，那么該線程在后續(xù)訪問(wèn)時(shí)便會(huì)自動(dòng)獲得鎖，從而降低獲取鎖帶來(lái)的消耗，即提高性能。

偏向鎖的鎖釋放是一個(gè)被動(dòng)過(guò)程，線程不會(huì)主動(dòng)釋放偏向鎖，只有當(dāng)其他線程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖時(shí)，JVM 才會(huì)檢測(cè)到鎖的狀態(tài)并觸發(fā)撤銷(xiāo)。但是撤銷(xiāo)需要等待全局安全點(diǎn)（所有線程會(huì)暫停），JVM 會(huì)在全局安全點(diǎn)時(shí)判斷鎖對(duì)象是否處于被鎖定狀態(tài)，如果沒(méi)有被鎖定，且持有鎖的線程不處于活動(dòng)狀態(tài)，則將對(duì)象頭設(shè)置為無(wú)鎖狀態(tài)，并撤銷(xiāo)偏向鎖。

所以，引入偏向鎖的目的是認(rèn)為當(dāng)前環(huán)境下是不存在多線程競(jìng)爭(zhēng)的場(chǎng)景，可以認(rèn)為是單線程環(huán)境，同一個(gè)線程多次持有鎖，減少單線程環(huán)境下獲取鎖帶來(lái)的不必要。

流程圖如下:

輕量級(jí)鎖

當(dāng)一個(gè)線程持有偏向鎖時(shí)，另外一個(gè)線程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)鎖，這時(shí)偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖。

輕量級(jí)鎖的競(jìng)爭(zhēng)方式一種比較輕量級(jí)的競(jìng)爭(zhēng)方式，當(dāng)某個(gè)線程沒(méi)有獲取到鎖，它并不是立刻被掛起，而是采取自旋的方式來(lái)競(jìng)爭(zhēng)鎖資源。在競(jìng)爭(zhēng)較少的情況下，輕量級(jí)鎖通過(guò)減少線程阻塞和喚醒操作，可以提高性能。

輕量級(jí)鎖的目的在于它認(rèn)為系統(tǒng)當(dāng)前的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境不是激烈，如果采取阻塞和喚醒線程的方式，則會(huì)過(guò)多地消耗系統(tǒng)資源。如果某個(gè)線程沒(méi)有獲取到輕量級(jí)鎖，則采取自旋的方式來(lái)判斷鎖資源是否已被釋放。這種方式減少了上線文的切換。

但是長(zhǎng)時(shí)間的自旋操作是非常消耗資源的，一個(gè)線程獲取了輕量級(jí)鎖，其他線程就只能在那里“空耗”，它們不釋放 CPU 資源，但也不做任何事，這種現(xiàn)象叫做忙等（busy-waiting）。所以，我們是允許短時(shí)間的忙等，用它來(lái)?yè)Q取線程在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間切換的開(kāi)銷(xiāo)。

觸發(fā)輕量級(jí)鎖的條件是兩個(gè)：

關(guān)閉偏向鎖（-XX:-UseBiasedLocking）
多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖導(dǎo)致偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖

流程圖如下：

重量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖自旋是要有限度的，你不能一直在那里空轉(zhuǎn)，所以如果鎖競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境比較嚴(yán)重，當(dāng)自旋次數(shù)達(dá)到某個(gè)閾值（默認(rèn) 10 次，可自動(dòng)調(diào)整）后，就是停止自旋，此時(shí)鎖膨脹為重量級(jí)鎖。當(dāng)其膨脹為重量級(jí)鎖后，其他線程就不再是等待了，而是阻塞等待。重量級(jí)鎖依賴對(duì)象內(nèi)部的監(jiān)視器（monitor）實(shí)現(xiàn)，而 monitor 依賴的是操作系統(tǒng)的 MutexLock（互斥鎖）。

由于是重量級(jí)鎖，那么等待鎖資源的線程都會(huì)被阻塞，雖然阻塞的線程不會(huì)消耗 CPU，但是阻塞或者喚醒一個(gè)線程都需要通過(guò)底層操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，它會(huì)涉及到上下文切換，用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，這本身就是一個(gè)非常重量級(jí)、高開(kāi)銷(xiāo)的操作。

鎖升級(jí)過(guò)程

鎖升級(jí)就是無(wú)鎖 —> 偏向鎖 —> 輕量級(jí)鎖 —> 重量級(jí)鎖 的一個(gè)過(guò)程，注意，鎖只能升級(jí)，不能降級(jí)。流程圖如下：

JVM 啟動(dòng)后，鎖資源對(duì)象直到有第一個(gè)線程訪問(wèn)時(shí)，它都是無(wú)鎖狀態(tài)，此時(shí) Mark Word 內(nèi)容如下：

偏向鎖標(biāo)識(shí)為 0，鎖標(biāo)識(shí)為 01。

當(dāng)鎖對(duì)象首次被某個(gè)線程（假如為線程 A，id 為 1000001）時(shí)，鎖就會(huì)從無(wú)鎖狀態(tài)升級(jí)偏向鎖。偏向鎖會(huì)在 Mark Word 中的偏向鎖線程 id 存儲(chǔ)當(dāng)前線程的id（1000001），偏向鎖標(biāo)識(shí)為 1，鎖標(biāo)識(shí)為 01，如下：

如果當(dāng)前線程再次獲取該鎖對(duì)象，只需要比較偏向鎖線程 id 即可。

當(dāng)有其他線程（假如為線程 B，id 為 1000002）來(lái)競(jìng)爭(zhēng)該鎖對(duì)象，此時(shí)鎖為偏向鎖，這個(gè)時(shí)候會(huì)比較偏向鎖的線程 id 是否為線程 B 1000002，我們可以判斷不是，所以會(huì)利用 CAS 嘗試修改 Mark Word，如果成功，則線程 B 獲取偏向鎖成功，此時(shí) Mark Word 中的偏向鎖線程 id 為線程 B id 1000002：

但如果失敗了，就說(shuō)明當(dāng)前環(huán)境可能存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，則需要執(zhí)行偏向鎖撤銷(xiāo)操作。等到全局安全點(diǎn)時(shí)，JVM 會(huì)暫停持有偏向鎖的線程 A，檢查線程 A 的狀態(tài)，若線程 A狀態(tài)為不活躍或者已經(jīng)執(zhí)行完了同步代碼塊，則設(shè)置鎖對(duì)象為無(wú)鎖狀態(tài)（線程 ID 為空，偏向鎖 0 ，鎖標(biāo)志位為01）重新偏向，同時(shí)恢復(fù)線程 A，繼續(xù)獲取偏向鎖。如果線程 A 的同步代碼塊還沒(méi)執(zhí)行完，則需要升級(jí)為輕量級(jí)鎖。
在升級(jí)為輕量級(jí)鎖之前，持有偏向鎖的線程 A是暫停的，JVM 首先會(huì)在線程 A 的棧中創(chuàng)建一個(gè)名為鎖記錄的空間（Lock Record），用于存放鎖對(duì)象目前的 Mark Word 的拷貝，然后拷貝對(duì)象頭中的 Mark Word 到線程 A 的鎖記錄中（官方稱之為 Displaced Mark Word ），若拷貝成功，JVM 將使用 CAS 嘗試將對(duì)象頭重的 Mark Word 更新為指向線程 A 的 Lock Record 的指針，成功，線程 A 獲取輕量級(jí)鎖，此時(shí) Mark Word 的鎖標(biāo)志位為 00，指向鎖記錄的指針指向線程 A 的鎖記錄地址，如下圖：

對(duì)于其他線程而言，也會(huì)在棧幀中建立鎖記錄，存儲(chǔ)鎖對(duì)象目前的 Mark Word 的拷貝。也利用 CAS 嘗試將鎖對(duì)象的 Mark Word 更正指向自身線程的 Lock Record，如果成功，表明競(jìng)爭(zhēng)到輕量級(jí)鎖，則執(zhí)行同步代碼塊。如果失敗，那么線程嘗試使用自旋的方式來(lái)等待持有輕量級(jí)鎖的線程釋放鎖。當(dāng)然，它不會(huì)一直自旋下去，因?yàn)樽孕倪^(guò)程也會(huì)消耗 CPU，而是自旋一定的次數(shù)，如果自旋了一定次數(shù)后還是失敗，則升級(jí)為重量級(jí)鎖，阻塞所有未獲取鎖的線程，等待釋放鎖后喚醒。

最后是，鎖升級(jí)過(guò)程的詳細(xì)流程（此圖來(lái)源于網(wǎng)上）：