synchronized锁升级详解

synchronized锁升级

• 在JDK1.5之前，我们要想实现线程同步，只能通过synchronized关键字这一种方式达成。synchronized关键字是JVM实现的一种内置锁。从底层角度来说，这种锁释放和获取都是jVM帮我们隐式实现的。
• 从JDK1.5开始并发包引入了Lock锁，Lock锁是基于Java实现的。因此锁的获取和释放都是由java代码实现的。然而synchronized是基于操作系统底层的Mutex Lock来实现的。每次获取释放锁都会带来用户态和内核态的切换，了解操作系统相关的基础知识都清楚，这种切换是非常消耗cpu性能的，它需要保存和恢复一些状态数据等，同时也影响到锁的性能。如下图所示

• 从JDK1.6开始synchronized锁的实现发生了很大的变化，jvm引入了相应的优化手段来提升synchronized锁的性能。这种优化涉及到偏向锁，轻量级锁，和重量级锁，从而减少锁竞争带来的用户态和内核态之间的切换。**锁升级的出发点就是减少户态和内核态之间的切换。**尽量使程序一直出入用户态。锁的优化实际上是通过java对象头上一些标志位来实现的。

对象实例

在JDK1.6开始，对象实例在堆中会被划分三个组成部分：对象头，实例数据，和对其填充。

• 实例数据：对象的相关属性
• 对其填充：确保数据长度一致。有些没有数据的自动填充一些空间。

对象头

• Mark Word
• 指向类的指针
• 数组长度

我们在锁升级的过程中只需要关注Mark World(它记录了对象，锁和垃圾回收相关的信息，在64位JVM中其长度为64bit)的位信息包括了如下组成信息:
- 无锁标记: 当前对象没有上锁。
1. 偏向锁标记:
2. 轻量级锁标记：
3. 重量级锁标记：直接从用户态切换到内核态。
4. GC标记: 判断对象是否可被垃圾收回收掉。

• 对于synchronized锁来说，锁的升级主要是通过Mark World的锁标记位与是否是偏向锁标志来达成的。synchronized关键字所对应的锁都是从偏向锁开始的，随着锁竞争的不断升级逐步演化至轻量级锁，最后则变成重量级锁。

偏向锁

• 总体而言如下图所示：
  

• 偏向锁的设置

  • 针对一个线程来说，它的主要作用就是优化同一个线程多次获取一个锁的情况；如果一个synchronized方法被一个线程访问，那么这个方法所在的对象就会在其Mark World的将偏向锁进行标记，同时还会有一个字段来存储该线程的Id，当这个线程再次访问同一个synchronized方法时，它会检测这个对象的Mark World的偏向锁已经是否指向了该线程Id，如果是的话那么该线程就无需在进入管程（内核态），而直接进入到该方法，这些操作都是在用户态进行的。

• 偏向锁的撤销

  • 偏向锁使用了一种等到竞争才释放锁的机制，所以上述的偏向锁的设置只是针对单个线程而言。 当其他线程线程B尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，偏向锁的释放，需要等待全局安全点（这个时间点上没有正在执行字节码）。它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程释放存活，如果线程不处于活动状态，则对象头设置无锁状态，如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈就会被执行，遍历偏向锁对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark World要么重新偏向其他线程，要么恢复成无锁（换句话说就是持有偏向锁的线程不存活就对象头设置无锁状态，如果线程存活就执行完，要么对象头设置无锁状态，要么偏向其他线程）。

• 偏向锁的关闭

  • 偏向锁在Java6和java7里默认是开启的，但是它是应用程序启动几秒之后才会激活，可以通过-XX:BiasedLockingStartuoDelay=0 关闭延迟。通过 -XX:-UserBiasedLocking=false 关闭偏向锁，那么线程就会默认进入轻量级锁的状态。

  在偏向锁的应用场景主要集中在竞争不激烈的情况下，通过使用偏向锁可以减少其在CAS操作下的同步性能消耗，从而获取性能的提升。

轻量级锁

• 若一个线程已经获取到了当前对象的锁，这时第二个线程又开始尝试争抢该对象的锁，由于该对象已经被第一次线程获取到了，因此它是偏向锁，而第二个线程在争抢时，发现对象头的Mark World已经是偏向锁，但里面存储的线程Id并不是自己（是第一个线程），那么它会进行CAS，来竞争锁，这里存在两种情况：

  • 获取锁成功：那么它会直接将Mark World中的线程Id由第一个变成自己的，但是锁标志还是偏向锁。
  • 获取锁失败：则表示这时可能会有多个线程同时在尝试争抢该锁，那么这时偏向锁就会升级，升级为轻量级锁。

• 上述情况如果获取锁失败的情况：

  • 自旋：当发生对Monitor竞争时，若持有者在很短的时间内释放掉锁，则那些在竞争的线程就可以稍微等一下（自旋），在持有者释放锁之后，竞争者就会获得到monitor对象，从而避免了系统的阻塞（不用从用户态切换到内核态进行阻塞等待）。不过当持有者只有锁的时间比较久的时候超过了自旋的时间上限（这个jvm指定的时间点，也不能一直自旋下去浪费cpu资源），这个时候就会停止自旋进入阻塞状态。总体思路就是：先自旋，不成功再去阻塞，尽可能的降低阻塞（用户态和内核态的切换）的可能性，这对那些执行时间比较短的同步锁性能得到了极大的提升。
  • 在了解了自旋的原理之后，如果上述获取锁失败了，就会进入自旋，自选失败了就会进入阻塞状态，这个时候的锁就是重量级锁，因为发生了用户态到内核态的切换。

  重量级锁

  • 就是没升级之前的锁的状态，每次获取锁就要发生用户态和内核态之间的切换。

  各自的优缺点

  

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参考文献

• java并发编程的艺术 - 方腾飞