synchronized的偏向锁、轻量级锁和重量级锁

文章目录

Java对象头
偏向锁
- 批量重偏向
- 批量撤销
轻量级锁
重量级锁
- Monitor 原理

Java对象头

普通对象

Mark Word在64 位虚拟机中的结构为
Mark Word后三（两）位表示

001：无锁状态
101：偏向锁
00：轻量级锁
10：重量级锁

偏向锁

Jdk6开始，默认开启偏向锁。当线程获取锁资源时，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。

当锁释放之后，另一线程获得锁资源，则偏向锁升级为轻量级锁。
若锁还未释放，另一线程就来竞争锁资源，则偏向锁直接升级为重量级锁。
调用 wait/notify方法时，偏向锁直接升级为重量级锁，因为只有重量级锁才有该方法。
调用hashcode方法，因为没有空间存储hashcode，偏向锁自动撤销，变为无锁状态。

批量重偏向

如果一个类的大量对象被一个线程T1执行了同步操作，也就是大量对象先偏向了T1，T1同步结束后，另一个线程也将这些对象作为锁对象进行操作，会导偏向锁重偏向的操作。
BiasedLockingBulkRebiasThreshold：偏向锁批量重偏向的默认阀值为20次。

批量撤销

当一个偏向锁如果撤销次数到达40的时候就认为这个对象设计的有问题；那么JVM会把这个对象所对应的类所有的对象都撤销偏向锁；并且新实例化的对象也是不可偏向的。
BiasedLockingBulkRevokeThreshold：偏向锁批量撤销的默认阀值为40次。

批量重偏向和批量撤销是针对类的优化，和对象无关。偏向锁重偏向一次之后不可再次重偏向。当某个类已经触发批量撤销机制后，JVM会默认当前类产生了严重的问题，剥夺了该类的新实例对象使用偏向锁的权利。

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。
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。
轻量级锁的操作步骤如下：

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 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录。
如果 cas 失败，有两种情况
1. 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。
2. 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。

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。
当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用 cas 将Mark Word 的值恢复给对象头。
1. 成功，则解锁成功。
2. 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。

重量级锁

Monitor 原理

每个 Java 对象都可以关联一个Monitor对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的
Mark Word 中就被设置指向Monitor 对象的指针。
Monitor 结构如下：

刚开始 Monitor 中 Owner 为 null。
当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-2，Monitor中只能有一个Owner。
在 Thread-2上锁的过程中，如果 Thread-3，Thread-4，Thread-5 也来执行 synchronized(obj)，就会进入
EntryList BLOCKED。
Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争的时是非公平的。
图中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足进入调用wait()方法进入 WAITING 状态的线程。当调用notifyAll()方法之后，WaitSet中的 Thread-0，Thread-1 进入EntryList BLOCKED。