【并发编程】synchronized的偏向锁、轻量级锁、重量级锁详解

内存布局对应对应的锁状态

先说锁状态的变化结论

偏向锁

• 偏向锁是一种针对加锁操作的优化手段。
• 在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，因此为了消除数据在无竞争情况下锁重入（CAS操作）的开销而引入偏向锁。
• 对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果。
• JVM启用了偏向锁模式：jdk6之后默认开启
• 新创建对象的Mark Word中的Thread Id为0，说明此时处于可偏向但未偏向任何线程，也叫做匿名偏向状态(anonymously biased)。

偏向锁延迟偏向

• HotSpot 虚拟机在启动后开启偏向锁模式默认在4s后。
• 为了减少初始化时间，JVM默认延时加载偏向锁。

//关闭延迟开启偏向锁
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0
//禁止偏向锁
-XX:-UseBiasedLocking 

• 上图的代码可以验证：从无锁变为偏向锁（4秒）

偏向锁在无竞争的时候一直是偏向锁

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		log.debug(Thread.currentThread().getName() + "最开始的状态。。。\n"
				+ ClassLayout.parseInstance(new Object()).toPrintable());
		// HotSpot 虚拟机在启动后有个 4s 的延迟才会对每个新建的对象开启偏向锁模式
		Thread.sleep(4000);
		Object obj = new Object();

		new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				log.debug(
						Thread.currentThread().getName() + "开始执行准备获取锁。。。\n" + ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
				synchronized (obj) {
					log.debug(Thread.currentThread().getName() + "获取锁执行中。。。\n"
							+ ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
				}
				log.debug(Thread.currentThread().getName() + "释放锁。。。\n" + ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
			}
		}, "thread1").start();

		Thread.sleep(5000);
		log.debug(Thread.currentThread().getName() + "结束状态。。。\n" + ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
	}

• 执行结果

• 从结果可以看出：无锁状态经过4秒变为偏向锁，之后的的状态一直是偏向锁！
• 在进入同步代码块后，锁的偏向线程由0变为具体的线程。

在同步代码块外调用hashCode()方法

• 进入同步代码块后锁升级为轻量级锁
• 当对象可偏向（线程ID为0）时，MarkWord将变成未锁定状态，并只能升级成轻量锁。

在同步代码块内调用hashCode()方法

• 直接升级为重量级锁
• 当对象正处于偏向锁时，调用HashCode将使偏向锁强制升级成重量锁。

偏向锁撤销：自己验证wait和notify

• 调用锁对象的obj.hashCode()或System.identityHashCode(obj)方法会导致该对象的偏向锁被撤销。
• 因为对于一个对象，其HashCode只会生成一次并保存，偏向锁是没有地方保存hashcode的。
• 轻量级锁会在锁记录中记录 hashCode。
• 重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode。
• 当对象可偏向（线程ID为0）时，MarkWord将变成未锁定状态，并只能升级成轻量锁。
• 当对象正处于偏向锁时，调用HashCode将使偏向锁强制升级成重量锁。
• 偏向锁状态执行obj.notify() 会升级为轻量级锁。
• 调用obj.wait(timeout) 会升级为重量级锁。

轻量级锁

• 倘若偏向锁失败，虚拟机并不会立即升级为重量级锁，它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段，此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。
• 轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间多个线程访问同一把锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。
• 轻量级锁在降级的时候直接变为无锁状态！（查看之前在同步代码块外调用hashCode()方法）

模拟竞争不激烈的场景

@Slf4j
public class TestMemory {

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		log.debug(Thread.currentThread().getName() + "最开始的状态。。。\n"
				+ ClassLayout.parseInstance(new Object()).toPrintable());
		// HotSpot 虚拟机在启动后有个 4s 的延迟才会对每个新建的对象开启偏向锁模式
		Thread.sleep(4000);
		Object obj = new Object();

		Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				log.debug(Thread.currentThread().getName() + "开始执行thread1。。。\n"
						+ ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
				synchronized (obj) {
					log.debug(Thread.currentThread().getName() + "获取锁执行中thread1。。。\n"
							+ ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
				}
				log.debug(Thread.currentThread().getName() + "释放锁thread1。。。\n"
						+ ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
			}
		}, "thread1");
		thread1.start();

		// 控制线程竞争时机
		Thread.sleep(1);

		Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				log.debug(Thread.currentThread().getName() + "开始执行thread2。。。\n"
						+ ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
				synchronized (obj) {
					log.debug(Thread.currentThread().getName() + "获取锁执行中thread2。。。\n"
							+ ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
				}
				log.debug(Thread.currentThread().getName() + "释放锁thread2。。。\n"
						+ ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
			}
		}, "thread2");
		thread2.start();

		Thread.sleep(5000);
		log.debug(Thread.currentThread().getName() + "结束状态。。。\n" + ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
	}
}

竞争不激烈的场景的运行结果

重量级锁

• 轻量级锁经过一次自选如果没有获取到锁，直接膨胀为重量级锁。
• 重量级锁是基于 Monitor 机制，并且在 Monitor 中记录 hashCode

模拟竞争激烈的场景

• 去掉不激烈的场景中的以下代码就是竞争激烈的场景

// 控制线程竞争时机
Thread.sleep(1);

竞争激烈的场景的运行结果

结束语

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