Java中synchronized鎖升級的過程

第Java中synchronized鎖升級的過程目錄簡介CASmarkWordSynchronized的鎖升級偏向鎖輕量級鎖重量級鎖總結

簡介

在多線程中解決線程安全的問題時常用到Synchronized，現(xiàn)在的synchronized相對于早期的synchronized做出了優(yōu)化，從以前的加鎖就是重量級鎖優(yōu)化成了有一個鎖升級的過程(偏向鎖-輕量級鎖-重量級鎖)。

CAS

cas的全稱是compareandswap，從名稱上可以看出它是先比較再進行設置，它是一種在多線程環(huán)境下實現(xiàn)同步功能的機制。

下面這段代碼是在ReentrantLock類中復制的一段關于CAS操作的代碼

protectedfinalbooleancompareAndSetState(intexpect,intupdate){

//Seebelowforintrinsicssetuptosupportthis

returnpareAndSwapInt(this,stateOffset,expect,update);

}

compareAndSwapInt的參數(shù)，這里的參數(shù)一和參數(shù)二現(xiàn)在把他理解成是一個參數(shù)pareAndSwapInt(curr,expect,update);所以這一個Cas操作里面需要三個參數(shù)

參數(shù)一：當前值參數(shù)二：期望值參數(shù)三：需要修改成的值

只有在當前值和期望值一致的時候才會將當前值修改成參數(shù)三所傳入的值。

CAS在JUC包中應用很廣泛，比如在AtomicXXX類中使用到了大量的CAS操作，

CAS不是很難理解，有個概念就好。

markWord

如果了解對象的內存布局的可以略過此段。這個對象的內存布局是和JVM的實現(xiàn)有關，本章所說的是HotSpot的實現(xiàn)。

當一個對象被創(chuàng)建出來后它在內存中的布局如下，由四部分組成：

8個字節(jié)的markword，（markword里面包含了其它的東西，比如GC標記，鎖類型）4個字節(jié)的ClassPoint(此指針指向的Class)，默認是開啟指針壓縮所以是四個字節(jié)，關閉指針壓縮后是八個字節(jié)實例對象中的成員屬性大小字節(jié)填充(有的JVM需要8字節(jié)對齊，如果上面的字節(jié)相加后不能被8整除，則需要在此補齊)

看到上面的圖，應該可以大概的看出來synchronized加鎖，其實就是修改的對像頭里面的markword的數(shù)據(jù)。所以synchronized可以對任何一個對象加鎖

現(xiàn)在有一個Java類T,將它new出來之后它的對象的內存布局是什么樣子的呢？

classT{

Integerage;

}

可以通過一個小工具來查看下這個T類在內存中的對象布局

dependency

groupIdorg.openjdk.jol/groupId

artifactIdjol-core/artifactId

version0.9/version

scopecompile/scope

/dependency

通過下面的程序來打印下T對象的布局是什么樣子的。

publicstaticvoidmain(String[]args){

To=newT();

System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());

}

這張圖是一個沒有加鎖的對象的對象布局。

通過synchronized后的對象布局是什么樣子的呢？這次再修改下T類，目的是讓它存在字節(jié)填充

classT{

Integerage;

Integerage1;

publicstaticvoidmain(String[]args){

To=newT();

synchronized(o){

System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());

}

到這里可能有些小伙伴有疑問，這里為啥是輕量級鎖，不應該先是偏向鎖嗎？原因如下：

因為偏向鎖是有4秒的延遲的，所以如果想要看到效果可以在代碼里加上sleep(4100)就可以了?；蛘呤峭ㄟ^jvm參數(shù)-XX:BiasedLockingStartupDelay=0將延遲設置成0

看完這里也對markword有了些了解了，因為在synchronized中加鎖就是通過cas的方式修改的markword中的鎖狀態(tài)

Synchronized的鎖升級

上圖大概就是Synchronized加鎖后的一個鎖升級的過程。從早期的重量級鎖優(yōu)化到了現(xiàn)在一個輕量級鎖。

偏向鎖

上面的重量級鎖說到重量級鎖想要申請一把鎖需要用戶態(tài)到內核態(tài)的一個轉換，到了后期的JDK版本中，加鎖不用在去向OS去申請鎖了，只需要在用戶態(tài)就可以完成加鎖。

從名字上可以看出偏向鎖它就是偏向某一個線程，把這個鎖加到這個線程上，在加鎖的時候如果發(fā)現(xiàn)當前鎖的競爭線程只有一個線程的話，那么這個鎖直接偏向這個線程。直接上鎖，不存在競爭。并在線程棧中創(chuàng)建一個LR(鎖記錄)并將markword拷貝到LR中，同時鎖中的markwrod中的指針也會指向當前持有鎖線程的LR

這里的LR是有什么作用？

首先synchronized是一個可重入鎖，它即然是一個可重入鎖它就得有一個東西用來記錄重入的次數(shù)(加鎖幾次必須解鎖幾次)。在解鎖時LR在棧中彈出一個就表示解鎖一次。

當有多個線程競爭的時候會升級成輕量級鎖(自旋鎖)

通過下圖來看下偏向鎖是怎么一回事。

當大呆需要上WC時，只有它自已要上ＷＣ，此時并沒有其它的人需要上ＷＣ，那么這時這個ＷＣ可以直接給大呆使用，并且大呆把可以標識自已身份的ID貼到門上，表示此時大呆占用了這個WC。

當又有一個線程來搶占鎖時發(fā)現(xiàn)當前鎖已被占用，此時鎖會從偏向鎖升級成輕量級鎖。

匿名偏向

在執(zhí)行的時候將偏向鎖的延遲設置成0-XX:BiasedLockingStartupDelay=0

publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{

To=newT();

System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());

}

可以看這個程序的執(zhí)行結果，當前的鎖狀態(tài)是偏向鎖，而有意思是的鎖存在，但是他并沒有指向線程的指針，

這種情況稱為匿名偏向。

輕量級鎖

說到輕量級鎖可能需要在兩種情況下來說它，一是在升級成輕量鎖之前有偏向鎖，另一種是在升級輕量鎖之前沒有偏向鎖，這里說完第一種第二種不用解釋各位也會明白是怎么一回事。

還是用上面這個圖來解釋，此時當前的WC被大呆所占用，這時二呆來了也要使用WC。這時大呆和二呆就要通過CAS的方式來搶占WC。

因為此時鎖的狀態(tài)是偏向鎖的狀態(tài)，二呆來了也要使用WC(這時有兩個人同時要使用WC，這時就要將偏向鎖升級成輕量級鎖)，在升級輕量鎖之前首先需要將WC上的標識大呆身份的ID撕下來(這一步叫做偏向鎖的撤銷)，然后能過自旋+CAS的方式兩個人來搶鎖。當其中一個線程搶鎖成功后，會將LR貼到WC的門上，表示W(wǎng)C當前被某個線程占用，然后另一個沒有搶到鎖的線程就一直自旋，當自旋一定次數(shù)后升級成重量級鎖。

如果在升級輕量鎖之前沒有偏向鎖，此時兩個線程直接自旋+CAS的方式來搶鎖。

重量級鎖

在了解重量級鎖之前，我想應該先說下用戶態(tài)與內核態(tài)：

對于系統(tǒng)而言，它可以做的一些事情，普通的應用程序是無法完成的，比如系統(tǒng)可以干掉硬盤，如果普通的程序想要干掉硬盤它必須向操作系統(tǒng)去申請，由此操作系統(tǒng)中的指令分了級別，操作系統(tǒng)級別可以訪問所有的指令，在用戶態(tài)下只能訪問用戶能訪問的指令，如果用戶態(tài)要訪問內核態(tài)可以執(zhí)行的指令必須去向操作系統(tǒng)去申請，請操作系統(tǒng)調用。

在JDK早期，上鎖只能上重量級鎖。因為，所謂的JVM其實它也是工作在用戶態(tài)的一個進程，如果想要對一個對象進行上鎖，那它必須去向系統(tǒng)去申請鎖。申請鎖成功后，還需要將這把鎖從內核態(tài)返回到用戶態(tài)，它稱為重量級鎖的原因就是在鎖申請的時候都要有一個在用戶態(tài)到內核態(tài)的轉換。

當搶占到鎖后，markword里面記錄的不再是LR的指針，而是指向的是一個C++的對象ObjectMonitor，

如果當前線程自旋一段時間后沒有搶到鎖就會升級成重量級鎖，并將當前的線程存入EntryList隊列中阻塞，持有鎖的線程執(zhí)行完成后，在喚醒EntryList隊列中的線程去搶占鎖。