【JUC2022】第六章 Synchronized 与锁升级

文章目录

• 【JUC2022】第六章 Synchronized 与锁升级
• 一、对象内存布局
• 二、锁升级
• • 1.synchronized 锁优化的背景
  • 2.无锁状态
  • 3.偏向锁
  • 4.轻量级锁
  • 5.重量级锁
  • 6.锁升级过程中 Mark Word 的变化
• 三、JIT 对锁的优化

一、对象内存布局

回顾【JVM】第二章 JVM类加载、JVM对象

二、锁升级

1.synchronized 锁优化的背景

用锁能够实现数据的安全性，但是会带来性能下降

无锁能够实现基于线程并行，提升程序性能，但是会降低安全性

因此，我们需要在二者之间寻求一个平衡

锁升级过程

无锁→偏向锁→轻量级锁→重量级锁 偏向锁：Mark Word 存储的是指向偏向的线程 ID
轻量级锁：Mark Word 存储的是指向线程栈中 Lock Record 的指针
重量级锁：Mark Word 存储的是指向堆中的 monitor 对象的指针

JDK1.5 及之前的 synchronized

Java 的线程是映射到操作系统原生线程之上的，如果要阻塞或者唤醒一个线程，就需要操作系统接入，需要在用户态与内核态之间切换，这种切换会消耗大量的系统资源，因为用户态与内核态都有各自的内存空间和寄存器等。用户态切换至内核态需要传递很多变量和参数，内核态也需要保护好用户态在切换时的一些寄存器值和变量，以便内核态调用结束后切换回用户态继续工作

在 JDK1.5 及之前版本，synchronized 属于重量级锁，效率低下，因为监视器锁（monitor）依赖于操作系统的 Mutex Lock（系统互斥量）来实现的，挂起线程和恢复线程都需要切换到内核态，阻塞或者唤醒一个 Java 线程需要操作系统切换 CPU 状态来完成，这种切换需要耗费处理器时间

JDK1.6 为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了偏向锁和轻量级锁

2.无锁状态

Mark Word 偏向锁位为 0，锁标志位为 01

3.偏向锁

Mark Word 偏向锁位为 1，锁标志位为 01，并且有 54 位用于存放指向偏向的线程 ID

在大部分多线程的情况下，锁不仅不存在多线程竞争，还存在锁由同一个线程多次获得的情况。当同一段同步代码一直被同一个线程多次访问，由于只有一个线程，那么该线程在后续访问时便会自动获得锁

4.轻量级锁

Mark Word 没有偏向锁位，锁标志位为 00，并且有 62 位用于存放指向线程栈中 Lock Record 的指针

当在偏向锁状态下，第二个线程并没有成功获取锁，那么就会升级为轻量级锁，此时轻量级锁由第一个线程继续持有。轻量级锁是为了在线程近乎交替执行同步代码块的时候提高性能，原理是通过 CAS 获取锁

JVM 会为每个线程在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，官方称之为 Displaced Mark Word。若一个线程获得锁时发现是轻量级锁，会把锁的 Mark Word 复制到自己的 Displaced Mark Word 里面。然后线程尝试用 CAS 将锁的 Mark Word 替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示 Mark Word 已经被替换成了其他线程的锁记录，说明在与其他线程竞争，当前线程就尝试使用自旋来获取锁

当自旋超过某个次数，就会升级为重量级锁，并且自旋的次数是自适应的。线程如果自旋成功了，那么下次自旋的最大次数会增加，因为 JVM 认为既然上次成功了，那么下次也很大概率会成功；繁殖，如果自旋失败，那么下次会减少自旋次数，避免 CPU 空转

5.重量级锁

Mark Word 没有偏向锁位，锁标志位为 10，并且有 62 位用于存放指向互斥量的指针

Java 中 synchronized 的重量级锁，是基于进入和退出 monitor 对象实现的。在编译时会将同步代码块的开始位置插入 monitor enter 指令，在结束位置插入 monitor exit 指令。当线程执行到 monitor enter 指令时，会尝试获取对象所对应的 Monitor 所有权，如果获取到了，即获取到了锁，会在 monitor 的 owner 中存放当前线程的 id，这样它将处于锁定状态，除非退出同步块，执行 monitor exit 命令，否则其他线程无法获取到这个 monitor

6.锁升级过程中 Mark Word 的变化

锁升级为轻量级锁或重量级锁后，Mark Word 中保存的分别是线程栈帧里的锁记录指针和重量级锁指针，已经没有位置再保存哈希码、GC 年龄了，那么这些信息去哪了？

当一个对象已经计算过一致性哈希码后，就再也无法进入偏向锁状态了，而是直接进入轻量级锁状态，将哈希码和 GC 年龄保存在线程栈帧的锁记录（Lock Record）中。当一个对象正处于偏向锁状态，又收到需要计算其一致性哈希码请求时，它会立即膨胀为重量级锁。在重量级锁的实现中，对象头指向了重量级锁的位置，代表重量级锁的 ObjectMonitor 类里有字段可以记录非加锁状态下的 Mark Word，其中自然可以存储原来的哈希码

三、JIT 对锁的优化

JIT(Just In Time Compiler，即时编译器)

锁消除
如果使用的锁对象是每个线程都会 new 出来的，那么加的这把锁就毫无意义，因为线程根本不需要和其他线程竞争，因此 JIT 编译器会无视这个加锁

锁粗化
假如方法中前后相邻的同步代码块中用的都是同一个锁对象，那么 JIT 编译器就会把这个同步代码块合并成一个大块