synchronized 底层实现原理、重量级锁、轻量锁、锁膨胀、锁自旋、偏向锁详解

news2024/11/25 14:25:48

0、基础知识：Java对象的存储格式

1. synchronized底层：Monitor（重量级锁）：被锁的对象与Monitor的关系

2. synchronized底层：轻量级锁优化，栈帧与被锁的对象的关系

3. 锁膨胀（轻量级锁升级为重量级锁）

4. 自旋优化---对“重量级锁”的优化

5. 偏向锁----对“轻量级锁”的优化

5.1 偏向锁的核心思想

5.2 偏向状态

5.3 偏向撤销

5.4 批量重偏向与批量撤销

0、基础知识：Java对象的存储格式

在JVM中，对象拥有一个“对象头”，格式如下，其中包括了标记字（Mark Word）和类型指针（Class Pointer），Klass Word指向的是该对象所属的类，而Mark Word中记录了对象的一些状态信息，包括对象的哈希码、锁状态和GC相关信息等。

1、 synchronized底层：Monitor（重量级锁）：被锁的对象与Monitor的关系

每个Java对象可以关联一个Monitor对象，其内部有如下图中的这些属性，Owner用来标记这个Monitor的所有者是谁。
（1）当有线程（称为Thread-2）运行如下程序时，即在给对象obj上锁，此时，该对象头的Mark Word，就会被设置成一个指向Monitor对象的指针。

synchronized(obj){
    ....
}

此时，Thread-2会变为Monitor的Owner。

（2）当此时，有别的线程（Thread-1）运行到代码块时，会检查这个obj有没有关联Monitior（有无指向？），发现已经关联了(看MarkWord里的01、00、10)、并且Owner已经有主人了，此时将Thread-1放入EntryList阻塞队列，并且该线程进入Blocked状态。若还有别的线程，则同上。

（3）当Thread-2代码块运行结束后，断开与Monitor的连接，此时会通知Monitor的EntryList，将这些线程唤醒，（此时是不公平竞争），可能Thread-1就成为了Monitor新的主人，其余线程仍然Blocked

2、 synchronized底层：轻量级锁优化，栈帧与被锁的对象的关系

轻量级锁：如果一个对象虽然是多线程访问，但多线程访问的时间是错开的（没有竞争），则可以用轻量级锁来优化，此时不需要Monitor

static final Object obj = new Object();
public static void method1(){
    synchronized(obj){
    //同步块A
    method2();
}
public static void method2(){
    synchronized(obj){
    //同步块B
    ...
}

当线程调用方法，会创建一个栈帧，栈帧里包含一个锁记录的结构：
主要内容有：（1）锁记录的地址（2）对象指针
步骤1：
当执行到加锁的时候：做如下处理，并尝试将LockRecord的地址与 Object的MarkWord做交换！

如果标记位为01(Normal)状态，则可以交换（反之如果不是01，则有两种可能：
1.如果有其他锁获得这个对象了，则将会进行“锁膨胀”；
2.如果是自己又一次获得锁（锁重入），则添加一条锁记录），
交换后，对象头中的状态便由01变为00。

步骤2：当执行完相应线程的代码，则释放锁记录的内存：

3、锁膨胀（轻量级锁升级为重量级锁）

承接上文，如果发生如下情况时，则会进入锁膨胀过程

过程：

轻->重：申请Monitor锁，Object的MarkWord不再指向锁记录，而指向Monitor对象（如第1节所讲的那样），并且最后两位会变成10（重量级锁状态）
Thread-1这个被阻塞的线程，自己进入EntryList，进入Blocked状态（如第1节所讲的那样）
该Monitor的Owner是Thread-0

解锁：步骤同前文的第1节

4. 自旋优化---对“重量级锁”的优化

线程的阻塞与运行将带来上下文的切换，耗费资源。自旋优化能够缓解阻塞：
概括：在获取monitor时如果失败了，不立刻进入EntryList阻塞，而是自旋重试几次（如果试了几次都还是失败，再去阻塞）

5. 偏向锁----对“轻量级锁”的优化

5.1 偏向锁的核心思想

在上文中可知，轻量级锁在没有竞争时（还是这个线程来获取锁），将会发生锁重入，要执行CAS操作，并在栈桢创建新的锁记录。这样耗费了资源。
优化方式：只有第一次使用CAS将线程ID设置到被锁对象的MarkWord中，以后再来的线程只用验证这个线程ID是自己则没有竞争，无需CAS。
以后只要不发生竞争，这个对象归线程所有。