Java并发(二十)—-synchronized原理进阶

1、小故事

故事角色

• 老王 – JVM

• 小南 – 线程

• 小女 – 线程

• 房间 – 对象

• 房间门上 – 防盗锁 – Monitor-重量级锁

• 房间门上 – 小南书包 – 轻量级锁

• 房间门上 – 刻上小南大名 – 偏向锁 -对象专属于某个线程使用

• 批量重刻名 – 一个类的偏向锁撤销到达 20 阈值 -批量重偏向

• 不能刻名字 – 批量撤销该类对象的偏向锁，设置该类不可偏向

小南要使用房间保证计算不被其它人干扰（原子性），最初，他用的是服务器托管网防盗锁，当上下文切换时，锁住门。这样，即使他离开了，别人也进不了门，他的工作就是安全的。

但是，很多情况下没人跟他来竞争房间的使用权。小女是要用房间，但使用的时间上是错开的，小南白天用，小女晚上用。每次上锁太麻烦了，有没有更简单的办法呢？

小南和小女商量了一下，约定不锁门了，而是谁用房间，谁把自己的书包挂在门口，但他们的书包样式都一样，因此每次进门前得翻翻书包，看课本是谁的，如果是自己的，那么就可以进门，这样省的上锁解锁了。万一书包不是自己的，那么就在门外等，并通知对方下次用锁门的方式。

后来，小女回老家了，很长一段时间都不会用这个房间。小南每次还是挂书包，翻书包，虽然比锁门省事了，但仍然觉得麻烦。

于是，小南干脆在门上刻上了自己的名字：【小南专属房间，其它人勿用】，下次来用房间时，只要名字还在，那么说明没人打扰，还是可以安全地使用房间。如果这期间有其它人要用这个房间，那么由使用者将小南刻的名字擦掉，升级为挂书包的方式。

同学们都放假回老家了，小南就膨胀了，在 20 个房间刻上了自己的名字，想进哪个进哪个。后来他自己放假回老家了，这时小女回来了（她也要用这些房间），结果就是得一个个地擦掉小南刻的名字，升级为挂书包的方式。老王觉得这成本有点高，提出了一种批量重刻名的方法，他让小女不用挂书包了，可以直接在门上刻上自己的名字

后来，刻名的现象越来越频繁，老王受不了了：算了，这些房间都不能刻名了，只能挂书包—-设置该类不可偏向

节码指令中有所体现

2、synchronized 原理进阶

2.1 轻量级锁

轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化。

如果有竞争，轻量级锁会升级为重量级锁。

轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是 synchronized

假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁

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
   }
}

• 创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程都的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的 Mark Word

• 让锁记录中 Object reference 指向锁对象，并尝试用 cas（compare and swap，原子性） 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录

• 如果 cas（compare and swap，原子性） 替换成功，对象头中存储了锁记录地址和状态 00，表示由该线程给对象加锁，这时图示如下

• 如果 cas（compare and swap，原子性） 失败，有两种情况

  • 如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程

  • 如果是自己执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数，如示例代码

• 当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一（锁重入的数量）

• 当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用 cas（compare and swap，原子性） 将 Mark Word 的值恢复给对象头

  • 成功，则解锁成功

  • 失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

2.2 锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。

static Object obj = new Object();
public static void method1() {
  synchronized( obj ) {
    // 同步块
   }
}

• 当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁

• 这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程

  • 即为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址

  • 然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED

• 当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，失败。这时会进入重量级解锁流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程

2.3 自旋优化

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。

自旋重试成功的情况

线程 1 （core 1 上）	对象 Mark	线程 2 （core 2 上）
–	10（重量锁）	–
访问同步块，获取 monitor	10（重量锁）重量锁指针	–
成功（加锁）	10（重量锁）重量锁指针	–
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	–
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	访问同步块，获取 monitor
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	自旋重试
执行完毕	10（重量锁）重量锁指针	自旋重试
成功（解锁）	01（无锁）	自旋重试
–	10（重量锁）重量锁指针	成功（加锁）
–	10（重量锁）重量锁指针	执行同步块
–	…	…

线程2自旋重试3次成功加锁，这样就不会陷入阻塞。

自旋重试失败的情况

线程 1（core 1 上）	对象 Mark	线程 2（core 2 上）
–	10（重量锁）	–
访问同步块，获取 monitor	10（重量锁）重量锁指针	–
成功（加锁）	10（重量锁）重量锁指针	–
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	–
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	访问同步块，获取 monitor
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	自旋重试
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	自旋重试
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	自旋重试
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	阻塞
–	…	…

• 线程2一直处于自旋，最后处于阻塞状态。

• 自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。

• 在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。

• Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

2.4 偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次锁重入时仍然需要执行 CAS 操作。

Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有

例如：

static final Object obj = new Object();
public static void m1() {
  synchronized( obj ) {
    // 同步块 A
    m2();
   }
}
public static void m2() {
  synchronized( obj ) {
    // 同步块 B
    m3();
   }
}
public static void m3() {
  synchronized( obj ) {
    // 同步块 C
   }
}

2.4.1 偏向状态

回忆一下对象头格式

|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
|            Mark Word (64 bits)             |    State    |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| unused:25 | hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:0 | 01  |    Normal    | // 正常
|--------------------------------------------------------------------|--------------------| // 偏向锁
| thread:54 | epoch:2   | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | 01  |    Biased    |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
|       ptr_to_lock_record:62             | 00  | Lightweight Locked | // 轻量级
|--------------------------------------------------------------------|--------------------| // 重量级
|       ptr_to_heavyweight_monitor:62         | 10  | Heavyweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
|                              | 11  |  Marked for GC  |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|

一个对象创建时：

• 如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，markword 值为 0x05 即最后 3 位为 101，这时它的 thread、epoch、age 都为 0

• 偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，可以sleep 4s后查看，如果想避免延迟，可以加 VM 参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟

  

• 如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，markword 值为 0x01 即最后 3 位为 001，这时它的 hashcode、age 都为 0，第一次用到 hashcode 时才会赋值

1） 测试延迟特性

2） 测试偏向锁

class Dog {}

利用 jol 第三方工具来查看对象头信息

pom文件

    
      org.openjdk.jol
      jol-core
      0.10
    

代码（注意这一小节的代码了解一下即可，在本机是运行不成功的，注意看输出就行了）

// 添加虚拟机参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 
public static void main(String[] args) throws IOException {
  Dog d = new Dog();
  ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(d);
​
  new Thread(() -> {
    log.debug("synchronized 前");
    System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
    synchronized (d) {
      log.debug("synchronized 中");
      System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
     }
    log.debug("synchronized 后");
    System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
   }, "t1").start();
​
}

输出

11:08:58.117 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101     //VM 参数 `-XX:BiasedLockingStartupDelay=0`后
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101     // 与上面输出的区别，根据对象头格式查看
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101     // 处于偏向锁，线程id不变，除非有新的竞争

注意

处于偏向锁的对象解锁后，线程 id 仍存储于对象头中

3）测试禁用

在上面测试代码运行时在添加 VM 参数 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁

输出

11:13:10.018 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001   // 三条日志后三位均不是101
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 00010100 11110011 10001000   //  处于轻量级锁
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001   // 恢复成正常状态

4) 测试 hashCode，添加VM 参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟

• 正常状态对象一开始是没有 hashCode 的，第一次调用才生成

• 调用 hashCode 会导致偏向锁被禁用。因为处于偏向锁状态的话已经存储线程id，再去存储hashcode，空间不够，是存储不下的。所以这时候的状态会被改为正常状态。另外轻量级锁的hashcode存储在栈帧中的锁记录中，重量级锁的hashcode存储在monitor对象中，解锁时会还原。

2.4.2 撤销 – 调用对象 hashCode

调用了对象的 hashCode，但偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id，如果调用 hashCode 会导致偏向锁被撤销

• 轻量级锁会在锁记录中记录 hashCode

• 重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode

在调用 hashCode 后使用偏向锁，记得去掉 -XX:-UseBiasedLocking

输出

11:22:10.386 c.TestBiased [main] - 调用 hashCode:1778535015
11:22:10.391 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 11000011 11110011 01101000
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001

2.4.3 撤销 – 其它线程使用对象

当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁

private static void test2() throws InterruptedException {
​
  Dog d = new Dog();
  Thread t1 = new Thread(() -> {
    synchronized (d) {
      log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
     }
    // 锁住当前类对象
    synchronized (TestBiased.class) {
      TestBiased.class.notify();
     }
    // 如果不用 wait/notify 使用 join 必须打开下面的注释
    // 因为：t1 线程不能结束，否则底层线程可能被 jvm 重用作为 t2 线程，底层线程 id 是一样的
    /*try {
      System.in.read();
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }*/
   }, "t1");
  t1.start();
​
​
  Thread t2 = new Thread(() -> {
    // 锁住当前类对象
    synchronized (TestBiased.class) {
      try {
        TestBiased.class.wait(); // 等待t1线程
       } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
       }
     }
    log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
    synchronized (d) {
      log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
     }
    log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
   }, "t2");
  t2.start();
}

输出

[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101  // 处于偏向锁    
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101  // t2线程还未加锁和t1状态保持一致
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110101 11110000 01000000  //  处于轻量级锁
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001  //  解锁后处于不可偏向

2.4.4 撤销 – 调用 wait/notify

这种情况下也会撤销偏向锁。因为wait/notify只有重量级锁才有。会将偏向锁或者轻量级锁升级为重量级锁

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  Dog d = new Dog();
​
  Thread t1 = new Thread(() -> {
    log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
    synchronized (d) {
      log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
      try {
        d.wait();
       } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
       }
      log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
     }
   }, "t1");
  t1.start();
​
  new Thread(() -> {
    try {
      Thread.sleep(6000);
     } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
     }
    synchronized (d) {
      log.debug("notify");
      d.notify();
     }
   }, "t2").start();
​
}

输出

[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101  // 偏向锁
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110011 11111000 00000101  // 加锁
[t2] - notify
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011100 11010100 00001101 11001010  // 重量级锁

2.4.5 批量重偏向

如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象的 Thread ID

当撤销偏向锁阈值超过 20 次后，jvm 会这样觉得，我是不是偏向错了呢，于是会在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程

private static void test3() throws InterruptedException {
​
  Vector list = new Vector();
  Thread t1 = new Thread(() -> {
    for (int i = 0; i  {
    synchronized (list) {
      try {
        list.wait();
       } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
       }
     }
    log.debug("===============> ");
    for (int i = 0; i 

输出

[t1] - 0    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101  // 偏向锁
[t1] - 1    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 2    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 3    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 4    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 5    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 6    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 7    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 8    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 9    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 10   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 11   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 12   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 13   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 14   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 15   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 16   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 17   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 18   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 19   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 20   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 21   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 22   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 23   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
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[t1] - 28   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 29   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
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[t2] - 28   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 29   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 29   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 29   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101

2.4.6 批量撤销

当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，jvm 会这样觉得，自己确实偏向错了，根本就不该偏向。于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的

这里就不打印日志了，可以自行思考

static Thread t1,t2,t3;
private static void test4() throws InterruptedException {
  Vector list = new Vector();
​
  int loopNumber = 39;
  t1 = new Thread(() -> {
    for (int i = 0; i  {
    LockSupport.park();
    log.debug("===============> ");
    for (int i = 0; i  {
    LockSupport.park();
    log.debug("===============> ");
    for (int i = 0; i 

参考资料

https://github.com/farmerjohngit/myblog/issues/12

https://www.cnblogs.com/LemonFive/p/11246086.html

https://www.cnblogs.com/LemonFive/p/11248248.html

偏向锁论文

2.5 锁消除

锁消除

@Fork(1)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@Warmup(iterations=3)
@Measurement(iterations=5)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
public class MyBenchmark {
  static int x = 0;
  @Benchmark
  public void a() throws Exception {
    x++;
   }
  @Benchmark
  public void b() throws Exception {
    Object o = new Object();
    synchronized (o) {
      x++;
     }
   }
}

java -jar benchmarks.jar

Benchmark       Mode  Samples  Score  Score error  Units
c.i.MyBenchmark.a   avgt     5  1.542     0.056  ns/op
c.i.MyBenchmark.b   avgt     5  1.518     0.091  ns/op

b是有一个加锁的操作，那为什么a耗时与b耗时几乎别区别呢？是因为Java中有一个JIT（即时编译器），会对于反复执行的代码进行优化，b中o对象根本不会被共享，所以b中的synchronized是没有任何意义的，所以Java就把锁给消除了。这也是存在一个开关的，这个开关是默认开启的，下面演示下把这个开关关闭掉。

java -XX:-EliminateLocks -jar benchmarks.jar

Benchmark       Mode  Samples  Score  Score error  Units
c.i.MyBenchmark.a   avgt     5  1.507     0.108  ns/op
c.i.MyBenchmark.b   avgt     5  16.976     1.572  ns/op

可以看到耗时有明显差距了。

锁粗化

对相同对象多次加锁，导致线程发生多次重入，可以使用锁粗化方式来优化，这不同于之前的细分锁的粒度。

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