Monitor實(shí)現(xiàn)的鎖屬于重量級(jí)鎖，你了解過(guò)鎖升級(jí)嗎？

前面我們說(shuō)了  synchronized 底層由monitor實(shí)現(xiàn)的，它那 synchronized 到底鎖的是什么呢？隨著 JDK 版本的升級(jí)，synchronized 又做出了哪些改變呢？“synchronized 性能很差”的謠言真的存在嗎？

在介紹以上內(nèi)容之前，我們要先知道重量級(jí)鎖概念。

重量級(jí)鎖

當(dāng)另外一個(gè)線程執(zhí)行到同步塊的時(shí)候，由于它沒(méi)有對(duì)應(yīng) monitor 的所有權(quán)，就會(huì)被阻塞，此時(shí)控制權(quán)只能交給操作系統(tǒng)，也就會(huì)從 user mode 切換到 kernel mode, 由操作系統(tǒng)來(lái)負(fù)責(zé)線程間的調(diào)度和線程的狀態(tài)變更, 這就需要頻繁的在這兩個(gè)模式下切換（上下文轉(zhuǎn)換）。有點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)就找內(nèi)核的行為很不好，會(huì)引起很大的開(kāi)銷(xiāo)，所以大家都叫它重量級(jí)鎖，自然效率也很低,這也就給很多小伙伴留下了一個(gè)印象 —— synchronized 關(guān)鍵字相比于其他同步機(jī)制性能不好，但其實(shí)不然。

• Monitor實(shí)現(xiàn)的鎖屬于重量級(jí)鎖，里面涉及到了用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換、進(jìn)程的上下文切換，成本較高，性能比較低。
• 在JDK 1.6引入了兩種新型鎖機(jī)制：偏向鎖和輕量級(jí)鎖，它們的引入是為了解決在沒(méi)有多線程競(jìng)爭(zhēng)或基本沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)的場(chǎng)景下因使用傳統(tǒng)鎖機(jī)制帶來(lái)的性能開(kāi)銷(xiāo)問(wèn)題。

一、MarkWord

在JVM虛擬機(jī)中，對(duì)象在內(nèi)存中存儲(chǔ)的布局可分為3塊區(qū)域：對(duì)象頭（Header）、實(shí)例數(shù)據(jù)（Instance Data）和對(duì)齊填充。

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我們需要重點(diǎn)分析MarkWord對(duì)象頭,因?yàn)镸arkword 是保存鎖狀態(tài)的關(guān)鍵，對(duì)象鎖狀態(tài)可以從偏向鎖升級(jí)到輕量級(jí)鎖，再升級(jí)到重量級(jí)鎖，加上初始的無(wú)鎖狀態(tài)，可以理解為有 4 種狀態(tài)。想在一個(gè)對(duì)象中表示這么多信息自然就要用位來(lái)存儲(chǔ)。

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• hashcode：25位的對(duì)象標(biāo)識(shí)Hash碼
• age：對(duì)象分代年齡占4位
• biased_lock：偏向鎖標(biāo)識(shí)，占1位 ，0表示沒(méi)有開(kāi)始偏向鎖，1表示開(kāi)啟了偏向鎖

thread：持有偏向鎖的線程ID，占23位

• epoch：偏向時(shí)間戳，占2位
• ptr_to_lock_record：輕量級(jí)鎖狀態(tài)下，指向棧中鎖記錄的指針，占30位
• ptr_to_heavyweight_monitor：重量級(jí)鎖狀態(tài)下，指向?qū)ο蟊O(jiān)視器Monitor的指針，占30位

我們可以通過(guò)lock的標(biāo)識(shí)，來(lái)判斷是哪一種鎖的等級(jí)

• 后三位是001表示無(wú)鎖
• 后三位是101表示偏向鎖
• 后兩位是00表示輕量級(jí)鎖
• 后兩位是10表示重量級(jí)鎖

二、輕量級(jí)鎖

在很多的情況下，在Java程序運(yùn)行時(shí)，同步塊中的代碼都是不存在競(jìng)爭(zhēng)的，不同的線程交替的執(zhí)行同步塊中的代碼。這種情況下，用重量級(jí)鎖是沒(méi)必要的。因此JVM引入了輕量級(jí)鎖的概念。

如果 CPU 通過(guò) CAS（后面會(huì)細(xì)講，戳鏈接直達(dá)）就能處理好加鎖/釋放鎖，這樣就不會(huì)有上下文的切換。

但是當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)很激烈，CAS 嘗試再多也是浪費(fèi) CPU，權(quán)衡一下，不如升級(jí)成重量級(jí)鎖，阻塞線程排隊(duì)競(jìng)爭(zhēng)，也就有了輕量級(jí)鎖升級(jí)成重量級(jí)鎖的過(guò)程。

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作為程序員的我們最喜歡用代碼說(shuō)話，貼心的 openjdk 官網(wǎng)提供了可以查看對(duì)象內(nèi)存布局的工具 JOL (java object layout)，我們直接通過(guò) Maven 引入到項(xiàng)目中。

<dependency>
      <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
      <artifactId>jol-core</artifactId>
      <version>0.14</version>
  </dependency>

public class SyncSample {


    private static Object LOCK = new Object();

    public static void main(String[] args) {


        System.out.println("----------未進(jìn)入同步塊，MarkWord 為：----------");

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


        synchronized (LOCK) {
            System.out.println("----------進(jìn)入同步塊，MarkWord 為：----------");
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(LOCK).toPrintable());
        }
    }

}

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2.1 加鎖流程

1.在線程棧中創(chuàng)建一個(gè)Lock Record，將其obj字段指向鎖對(duì)象。

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2.通過(guò)CAS指令將Lock Record的地址存儲(chǔ)在對(duì)象頭的mark word中（數(shù)據(jù)進(jìn)行交換），如果對(duì)象處于無(wú)鎖狀態(tài)則修改成功，代表該線程獲得了輕量級(jí)鎖。

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3.如果是當(dāng)前線程已經(jīng)持有該鎖了，代表這是一次鎖重入。設(shè)置Lock Record第一部分為null，起到了一個(gè)重入計(jì)數(shù)器的作用。

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4.如果CAS修改失敗，說(shuō)明發(fā)生了競(jìng)爭(zhēng)，需要膨脹為重量級(jí)鎖。

2.2 解鎖流程

1.遍歷線程棧,找到所有obj字段等于當(dāng)前鎖對(duì)象的Lock Record。

2.如果Lock Record的Mark Word為null，代表這是一次重入，將obj設(shè)置為null后continue。

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3.如果Lock Record的 Mark Word不為null，則利用CAS指令將對(duì)象頭的mark word恢復(fù)成為無(wú)鎖狀態(tài)。如果失敗則膨脹為重量級(jí)鎖。

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三、偏向鎖

輕量級(jí)鎖在沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)時(shí)（就自己這個(gè)線程），每次重入仍然需要執(zhí)行 CAS 操作。Java 6 中引入了偏向鎖來(lái)做進(jìn)一步優(yōu)化：只有第一次使用 CAS 將線程 ID 設(shè)置到對(duì)象的 Mark Word 頭，之后發(fā)現(xiàn)這個(gè)線程 ID 是自己的就表示沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)，不用重新 CAS。以后只要不發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，這個(gè)對(duì)象就歸該線程所有。

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可是多線程環(huán)境，也不可能只有同一個(gè)線程一直獲取這個(gè)鎖，其他線程也是要干活的，如果出現(xiàn)多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)的情況，就會(huì)有偏向鎖升級(jí)的過(guò)程。

1.在線程棧中創(chuàng)建一個(gè)Lock Record，將其obj字段指向鎖對(duì)象。

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2.通過(guò)CAS指令將Lock Record的線程id存儲(chǔ)在對(duì)象頭的mark word中，同時(shí)也設(shè)置偏向鎖的標(biāo)識(shí)為101，如果對(duì)象處于無(wú)鎖狀態(tài)則修改成功，代表該線程獲得了偏向鎖。

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3.如果是當(dāng)前線程已經(jīng)持有該鎖了，代表這是一次鎖重入。設(shè)置Lock Record第一部分為null，起到了一個(gè)重入計(jì)數(shù)器的作用。與輕量級(jí)鎖不同的時(shí)，這里不會(huì)再次進(jìn)行cas操作，只是判斷對(duì)象頭中的線程id是否是自己，因?yàn)槿鄙倭薱as操作，性能相對(duì)輕量級(jí)鎖更好一些。

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思考:偏向鎖可以繞過(guò)輕量級(jí)鎖，直接升級(jí)到重量級(jí)鎖嗎？

四、面試題

面試官:Monitor實(shí)現(xiàn)的鎖屬于重量級(jí)鎖，你了解過(guò)鎖升級(jí)嗎？

Java中的synchronized有無(wú)鎖(無(wú)鎖就是沒(méi)有對(duì)資源進(jìn)行鎖定，任何線程都可以嘗試去修改它)、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖四種形式，偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖分別對(duì)應(yīng)了鎖只被一個(gè)線程持有、不同線程交替持有鎖、多線程競(jìng)爭(zhēng)鎖三種情況