探“锁”源头：synchronized、偏向锁与锁膨胀的秘密！

大家好，我是程序视点的小二哥!今天我们来聊聊Java中的锁！

• synchronized怎么用？
• 锁是什么？
• 偏向锁是什么？
• 锁如何升级？何为膨胀？
• 自旋锁何解？
• 互斥锁怎么来的？
• 何时要禁用偏向锁和轻量级锁？

带着上面疑问，我们一起来解“锁”疑惑!以上问题会分成几篇文章来讲，方便大家记忆！欢迎持续关注【程序视点】，这样就不会错过之后的精彩内容啦！

前言

每一个刚接触多线程并发编程的同学，当被问到，如果多个线程同时访问一段代码，发生并发的时候，应该怎么处理？

 

 

我相信闪现在脑海中的第一个解决方案就是用synchronized，让这段代码同一时间只能被一个线程执行。

synchronized的疑惑

我们也知道，synchronized关键字可以用在方法上，也可以用在代码块上，如果要使用synchronized，我们一般就会如下使用：

public synchronized void doSomething() { //do something here}

或者

synchronized(LockObject) { //do something here}

那么实际上，synchronized关键字到底是怎么加锁的？锁又长什么样子的呢？

关于锁，还有一些什么样的概念需要我们去认识，去学习，去理解的呢？

以前在学习synchronized的时候，就有文章说, synchronized是一个很重的操作，开销很大，不要轻易使用，我们接受了这样的观点，但是为什么说是重的操作呢，为什么开销就大呢？

到java1.6之后，java的开发人员又针对锁机制实现了一些优化，又有文章告诉我们现在经过优化后，使用synchronized并没有什么太大的问题了，那这又是因为什么原因呢？到底是做了什么优化？

那今天我们就尝试着从锁机制实现的角度，来讲述一下synchronized在java虚拟机上面的适应场景是怎么样的。

由于java在1.6之后，引入了一些优化的方案，所以我们讲述synchronized，也会基于java1.6之后的版本。

锁对象

首先，我们要知道锁其实就是一个对象，java中每一个对象都能够作为锁。 所以我们在使用synchronized的时候，

1. 对于同步代码块，就得指定锁对象。
2. 对于修饰方法的synchronized，默认的锁对象就是当前方法的对象。
3. 对于修饰静态方法的synchronized，其锁对象就是此方法所对应的类Class对象。

我们知道，所谓的对象，无非也就是内存上的一段地址，上面存放着对应的数据，那么我们就要想，作为锁，它跟其它的对象有什么不一样呢？怎么知道这个对象就是锁呢？怎么知道它跟哪个线程关联呢？它又怎么能够控制线程对于同步代码块的访问呢？

Markword

可以了解到在虚拟机中，对象在内存中的存储分为三部分：

1. 对象头
2. 实例数据
3. 对齐填充

其中，对象头填充的是该对象的一些运行时数据，虚拟机一般用2到3个字宽来存储对象头。

1. 数组对象，会用3个字宽来存储。
2. 非数据对象，则用2个字宽来存储。

其结构简单如下：

长度	内容	说明
32/64bit	Markword	hashCode，GC分代年龄，锁信息
32/64bit	Class Metadata Address	指向对象类型数据的指针
32/64bit	Array Length	数组的长度（当对象为数组时）

从上表中，我们可以看到，锁相关的信息，是存在称之为Markword中的内存域中。

拿以下的代码作为例子，

synchonized(LockObject) { //do something here}

在对象LockObject的对象头中，当其被创建的时候，其Markword的结构如下：

bit fields		是否偏向锁	锁标志位
hash	age	0	01

从上面Markword的结构中，可以看出 所有新创建的对象，都是可偏向的（锁标志位为01），但都是未偏向的（是否偏向锁标志位为0）

偏向锁

当线程执行到临界区（critical section）时，此时会利用CAS(Compare and Swap)操作，将线程ID插入到Markword中，同时修改偏向锁的标志位。

这说明此对象就要被当做一个锁来使用，那么其Markword的内容就要发生变化了。 其结构其会变成如下：

bit fields			是否偏向锁	锁标志位
threadId	epoch	age	1	01

可以看到，

1. 锁的标志位还是01
2. “是否偏向锁”这个字段变成了1
3. hash值变成了线程ID和epoch值

也就是说，这个锁将自己偏向了当前线程，心里默默地藏着线程id， 在这里，我们就引入了“偏向锁”的概念。

在此线程之后的执行过程中，如果再次进入或者退出同一段同步块代码，并不再需要去进行加锁或者解锁操作，而是会做以下的步骤：

1. Load-and-test，也就是简单判断一下当前线程id是否与Markword当中的线程id是否一致.
2. 如果一致，则说明此线程已经成功获得了锁，继续执行下面的代码
3. 如果不一致，则要检查一下对象是否还是可偏向，即“是否偏向锁”标志位的值。
4. 如果还未偏向，则利用CAS操作来竞争锁，也即是第一次获取锁时的操作。
5. 如果此对象已经偏向了，并且不是偏向自己，则说明存在了竞争。此时可能就要根据另外线程的情况，可能是重新偏向，也有可能是做偏向撤销，但大部分情况下就是升级成轻量级锁了。

以下是Java开发人员提供的一张图：

 

 

“偏向锁”是Java在1.6引入的一种优化机制，其核心思想在于，可以让同一个线程一直拥有同一个锁，直到出现竞争，才去释放锁。

因为经过虚拟机开发人员的调查研究，在大多数情况下，总是同一个线程去访问同步块代码，基于这样一个假设，引入了偏向锁，只需要用一个CAS操作和简单地判断比较，就可以让一个线程持续地拥有一个锁。 也正因为此假设，在Jdk1.6中，偏向锁的开关是默认开启的，适用于只有一个线程访问同步块的场景。

下篇预告

在上面，我们说到，一旦出现竞争，也即有另外一个线程也要来访问这一段代码，偏向锁就不适用于这种场景了。

如何解决的呢？下篇文章将带大家了解锁膨胀、锁撤销、轻量级锁等内容！持续关注，这样就不会错过之后的精彩内容啦！

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