一、前言

在面試題中經(jīng)常會(huì)有這么一道面試題，談一下synchronized鎖升級(jí)過程？

之前背了一些，很多文章也說了，到底怎么什么條件才會(huì)觸發(fā)升級(jí)，一直不太明白。

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，今天就和大家一起實(shí)踐一下，什么條件才會(huì)升級(jí)！

二、為什么會(huì)有鎖升級(jí)過程？

在實(shí)踐之前，我們先一步步的來了解！為什么要升級(jí)呢？

在JDK1.6之前，synchronized的性能一直沒有ReentrantLock性能高，主要是因?yàn)閟ynchronized涉及到用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換，這個(gè)是在操作系統(tǒng)和硬件是非常消耗資源的。

經(jīng)過不斷的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)大部分時(shí)間一個(gè)鎖都是一個(gè)線程去獲取，如果只有一個(gè)線程來嘗試加鎖，就是重量級(jí)鎖，顯而浪費(fèi)資源。

「總之，鎖的升級(jí)過程是為了提高多線程環(huán)境下的性能和吞吐量，減少同步操作的開銷，并盡量避免線程切換的開銷。Java虛擬機(jī)根據(jù)線程競爭的情況和鎖的使用情況自動(dòng)進(jìn)行鎖的升級(jí)和降級(jí)，以優(yōu)化多線程程序的性能?！?/p>

此時(shí)，就引入了很多鎖類型，下面我們來具體看看！

三、鎖分類

偏向鎖：偏向鎖是為了解決單線程訪問的場景，偏向鎖允許第一個(gè)訪問共享資源的線程獲得鎖，把線程id存到對(duì)象頭中，后續(xù)的訪問可以直接獲得鎖，而不需要競爭。

輕量級(jí)鎖：當(dāng)一個(gè)或多個(gè)線程嘗試獲取同一個(gè)鎖時(shí)，偏向鎖會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖。輕量級(jí)鎖采用CAS（Compare and Swap）操作來減小鎖的競爭。采用自適應(yīng)自旋！

重量級(jí)鎖：操作系統(tǒng)的調(diào)度器會(huì)介入，將競爭鎖的線程掛起，直到鎖被釋放為止，重量級(jí)鎖的開銷相對(duì)較高。

「補(bǔ)充：」

「自適應(yīng)自旋的基本思想是根據(jù)鎖的爭用情況，決定線程是否應(yīng)該自旋等待，以及自旋等待的時(shí)間，一般情況為自旋10次?！?/p>

四、對(duì)象內(nèi)存結(jié)構(gòu)

我們在說鎖的升級(jí)過程之前，需要了解一下對(duì)象的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵阪i升級(jí)過程中會(huì)往對(duì)象頭上進(jìn)行填充信息！一個(gè)對(duì)象分為：對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)、對(duì)其填充位三部分組成。

我們本次主要用到對(duì)象頭，我們再看一下詳細(xì)的對(duì)象頭信息里有什么：

五、圖解鎖升級(jí)過程

先來一個(gè)簡圖：

下面引用百度上的一張?jiān)敿?xì)一點(diǎn)的圖：

我們來詳細(xì)的說一下鎖的升級(jí)過程，在每一個(gè)鎖切換時(shí)的條件是什么？

在JDK8時(shí)，偏向鎖默認(rèn)是在程序啟動(dòng)后4s自動(dòng)開啟的，在JKD15之后默認(rèn)是不開啟的！

可以設(shè)置無延遲時(shí)間啟動(dòng)：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0也可以不啟動(dòng)偏向鎖：-XX:-UseBiasedLocking = false。

直接說有點(diǎn)不形象，我們下面結(jié)合代碼來實(shí)戰(zhàn)，看一下具體情況！

六、實(shí)戰(zhàn)鎖升級(jí)過程

為了我們能夠查詢對(duì)象結(jié)構(gòu)，我們需要引入jar幫助我們查看！

1、導(dǎo)入依賴

「注意」：不要使用高版本的，高版本不顯示2進(jìn)制，不好觀察！

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.10</version>
</dependency>

2、實(shí)戰(zhàn)代碼和解析

我們來從序號(hào)1開始，上面也說了默認(rèn)4s后開啟偏向鎖，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)序號(hào)1打印的對(duì)象頭序號(hào)為：001我們的對(duì)象大小為20，內(nèi)部幫我們補(bǔ)位來滿足是8的倍數(shù)。方便操作系統(tǒng)進(jìn)行尋址，不會(huì)有碎片組合！這個(gè)大家可以詳細(xì)搜一下，這里就一帶而過了哈！

此時(shí)我們睡眠6s，包裝偏向鎖開啟成功！

我們來到序號(hào)2，開啟了偏向鎖，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)象頭序號(hào)為：101。

「節(jié)點(diǎn)：從無鎖到偏向鎖切換的條件：JDK8中默認(rèn)4s后開啟，JDK15需要手動(dòng)開啟」。

來到序號(hào)3和4一起說吧，當(dāng)我們進(jìn)行synchronized加鎖時(shí)，對(duì)象的頭信息中會(huì)記錄上當(dāng)前線程的id，下面再有加鎖的，直接判斷線程id是否一致，一致直接進(jìn)入代碼塊。不一致后面再說！我們發(fā)現(xiàn)在序號(hào)4時(shí)，已經(jīng)出了代碼塊，在此查詢加鎖的對(duì)象，信息依舊在，不會(huì)進(jìn)行移除，這就是偏向，直到下一個(gè)線程把上一個(gè)替換掉！

代碼里循環(huán)了三次，對(duì)象都是一樣的！

「節(jié)點(diǎn)：在只有一個(gè)線程訪問代碼塊的時(shí)候，對(duì)象中會(huì)記錄當(dāng)前線程id。」

「以上都是在一個(gè)線程來訪問的情況下」

來到序號(hào)5，我們新建了一個(gè)線程來進(jìn)行加鎖。此時(shí)會(huì)判斷當(dāng)前線程id和新線程id是否一致，不一致就會(huì)認(rèn)為有競爭關(guān)系，會(huì)立刻切換為輕量級(jí)鎖。對(duì)象頭序號(hào)為：00

「節(jié)點(diǎn)：當(dāng)有兩個(gè)線程交替獲取鎖時(shí)，不存在同時(shí)競爭獲取鎖時(shí)?！?/p>

序號(hào)6和7一起說，我們讓上面序號(hào)5這個(gè)線程獲取鎖后睡眠3s，持續(xù)獲得鎖。在開啟一個(gè)新的線程去競爭獲取鎖，此時(shí)先進(jìn)行自適應(yīng)CAS自旋，一般10次后一直沒辦法獲取鎖，判定為激烈競爭關(guān)系。變?yōu)橹亓考?jí)鎖，序號(hào)7線程會(huì)進(jìn)行放到阻塞隊(duì)列中。對(duì)象頭序號(hào)為：10。

經(jīng)過睡眠后，序號(hào)6在此獲取對(duì)象的信息時(shí)，已經(jīng)變?yōu)橹亓考?jí)鎖！

「節(jié)點(diǎn)：有兩個(gè)及其以上線程同時(shí)獲取鎖，且在自適應(yīng)自旋范圍內(nèi)沒有獲取到鎖」。

下面是代碼，大家可以在本地試一下！

/**
 * jvm默認(rèn)延時(shí)4s自動(dòng)開啟偏向鎖，
 * 可通過 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
 * 取消延時(shí)如果不要偏向鎖，可通過-XX:-UseBiasedLocking = false
 * @author wangzhenjun
 * @date 2023/10/18 14:42
 */
public class LockUp {

    @SneakyThrows
    public static void main(String[] args) {

        LockInfo lockInfo = new LockInfo();
        System.out.println("1.無狀態(tài)：" + ClassLayout.parseInstance(lockInfo).toPrintable());

        Thread.sleep(6000);
        LockInfo lock = new LockInfo();
        System.out.println("2.已經(jīng)開啟了偏向鎖模式：" + ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("3.偏向鎖模式下，加鎖狀態(tài)：" + ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
            }
            System.out.println("4.鎖釋放了，加鎖狀態(tài)：" + ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
        }

        new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("5.輕量級(jí)鎖，加鎖狀態(tài)：" + ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());

                System.out.println("睡眠3s");
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("6.輕量級(jí)鎖=>重量級(jí)鎖，加鎖狀態(tài)：" + ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
            }
        }).start();

        Thread.sleep(1000);

        new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("重量級(jí)鎖，加鎖狀態(tài)：" + ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
            }
        }).start();

    }
}

七、總結(jié)與拓展

經(jīng)過實(shí)戰(zhàn)，我們知道了每一個(gè)的切換條件，可以在面試中好好地回答了。不至于面試官反問一下就不堅(jiān)定了！

關(guān)于切換到重量級(jí)鎖后，有興趣的話，可以下載openJDK源碼去看一下關(guān)于hotspot/src/share/vm/runtime/objectMonitor.cpp和hotspot/src/share/vm/runtime/objectMonitor.hpp。

源碼下載地址：https://github.com/openjdk/jdk8

objectMonitor.cpp：是 OpenJDK 中實(shí)現(xiàn) Java 同步機(jī)制的核心部分，它負(fù)責(zé)管理對(duì)象監(jiān)視器，確保多線程程序能夠正確協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)線程同步和等待/通知機(jī)制。

objectMonitor.hpp：主要用于定義對(duì)象監(jiān)視器的接口和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為實(shí)際的對(duì)象監(jiān)視器的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。