偏向锁-批量重偏向和批量撤销测试

前言

最近看了一些synchronized底层原理的博文，对偏向锁这块儿不是很理解，结合网上一些博主的文章和示例代码，记录下自己的理解。

参考的文章有：
1.程序员囧辉的全网最硬核的 synchronized 面试题深度解析
2.Fisher3652的并发编程：批量重偏向、批量撤销

小端模式表示对象头

小端模式：Inter x86、ARM核采用的是小端模式存储数据（低地址存放低字节数据，高地址存放高字节数据）

 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE0     4                    (object header)                           05 01 00 00 (00000101 00000001 00000000 00000000) (261)4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)8     4                    (object header)                           ca d8 00 f8 (11001010 11011000 00000000 11111000) (-134162230)12     4   java.lang.String User.name                                 null

以上对象头中Mark word 4个字节的数据，是按照内存地址由低到高打印的，而内存中的地址是向上增长的，低地址存放低字节数据，高地址存放高字节数据，所以，Mark word实际的数据以16进制表示为：0x00000105

这样便与上图中对象头的 Mark word 的32位数据对应了起来，即锁标志位在低位。

启动偏向锁设置

JVM为我们提供了参数- XX:+UseBiasedLocking以开启或者关闭偏向锁优化（默认开启），但jvm延迟了4s启动偏向锁，想要在程序已启动时，就启动偏向锁，有两种方式：

程序启动时，让主线程睡眠超过4s，这样就会在jvm延迟启动偏向锁后，才开始运行程序。
设置jvm启动参数，添加-XX:BiasedLockingStartupDelay=0，即设置延迟启动偏向锁的时间为0s，这样jvm启动时，偏向锁就会启动。

批量重偏向

示例代码

创建20个锁对象，创建2个线程A、B，启动线程A，让线程B等待；在线程A中循环获取这20个锁对象；线程A执行完后，唤醒线程B，让线程B循环获取这20个已经偏向线程A的锁对象；

/*** 偏向锁-批量重偏向测试* @Author: AntonyZhang* @Date: 2021/7/6 10:25 下午**/
@Slf4j
public class BulkRebiasTest {static Thread A;static Thread B;static int loopFlag = 20;public static void main(String[] args) {try {Thread.sleep(5000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}final List<User> list = new ArrayList<>();A = new Thread() {@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < loopFlag; i++) {User a = new User();list.add(a);log.info("加锁前第 {} 次" + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable(), i+1);synchronized (a) {log.info("加锁中第 {} 次"+ ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable(), i+1);}log.info("加锁结束第 {} 次"+ ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable(), i+1);}log.info("============线程A 都是偏向锁=============");//防止竞争 执行完后唤醒线程BLockSupport.unpark(B);}};B = new Thread() {@Overridepublic void run() {//防止竞争 先睡眠线程BLockSupport.park();for (int i = 0; i < loopFlag; i++) {User a = list.get(i);//因为从list当中拿出都是偏向线程Alog.debug("加锁前第 {} 次" + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable(), i+1);synchronized (a) {//20次撤销偏向锁偏向线程A；然后升级轻量级锁指向线程B线程栈当中的锁记录//后面的发送批量偏向线程Blog.debug("加锁中第 {} 次" + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable(), i+1);}//因为前19次是轻量级锁，释放之后为无锁不可偏向//但是第20次是偏向锁 偏向线程B 释放之后依然是偏向线程Blog.debug("加锁结束第 {} 次" + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable(), i+1);}log.debug("新产生的对象" + ClassLayout.parseInstance(new  User()).toPrintable());}};A.start();B.start();}
}

对于线程A，可以看到，20个锁对象的对象头中markword在对象创建后三个阶段的变化情况如下：
加锁前：都是处于可偏向状态
加锁中：线程A获取该锁对象后，锁对象的对象头中的markword字段保存了线程A的线程ID
加锁后：每个锁对象依然偏向线程A，因为此时还未唤醒线程B
线程A打印如下图所示：

对于线程B，被唤醒后，前19个锁对象在加锁前、锁定中、释放后的三个阶段，对象头中的markword字段变化情况如下（前19次打印结果都一样，取第19次结果）：
加锁前：偏向线程A
锁定中：先执行撤销偏向锁流程，然后执行轻量级锁加锁流程，加锁成功后，图中锁标志位为00
释放后：执行轻量级锁解锁流程
线程B打印如下图所示：

对于线程B，第20个锁对象被获取前、锁定中、释放后的三个阶段，对象头中的markword字段变化情况如下：
加锁前：偏向线程A
锁定中：先执行撤销偏向锁流程，偏向锁撤销计数器此时已累计撤销偏向20次，达到了批量重偏向的阈值（默认为20）。因此，便会触发批量重偏向的流程，重偏向后，锁对象偏向了线程B，图中锁标志位为101
释放后：依然偏向线程B
线程B如下图所示：

关于偏向锁的偏向纪元epoch，重偏向前后的变化情况，如下图中markword从低位到高位的
第8和第9个bit位所示：
可见，重偏向后，锁对象的epoch值为10，而重偏向前，锁对象的epoch值为00

重偏向前，偏向线程A的锁对象的markword
高位                              低位
01111010 00000100 00111000 00000101重偏向后第20个锁对象的markword
11011101 00001100 10000001 00000101重偏向后，新创建的锁对象的markword
00000000 00000000 00000001 00000101

过程总结

偏向锁的批量重偏向过程：
1.匿名偏向：开启偏向锁优化，类的实例对象创建后，尚未被任何一个线程拿到该锁对象，此时锁对象处于可偏向状态。

2.偏向锁：只有一个线程A进入了拿到锁进入同步块，此时，作为锁对象的对象头中markword 的偏向锁标志为1，锁标志位为01。

3.轻量级锁：线程A执行完同步块中任务，退出同步块后（此时，该锁对象依然偏向线程A），由线程B尝试获取步骤2中创建的锁对象，因为此时线程B属于第二个线程，即使线程A已经释放了锁，锁对象还是会撤销偏向并升级为轻量级锁。
1） 撤销偏向锁：线程B尝试获取锁，此时的对象锁依然为偏向锁，所以要执行偏向锁的撤销操作：CAS将锁对象的markword修改为无锁状态，撤销偏向后，偏向锁撤销计数器加1；
2）升级轻量级锁：锁对象的markword为无锁状态，先将锁对象的markword填充到栈中Lock Record的displaced_header字段，然后CAS将栈中Lock Record的地址记录到锁对象的对象头中markword的高30位；若CAS成功，则获取轻量级锁成功，此时对象头的markword锁标志位为00。

4.批量重偏向：先将Klass的prototype_header中的epoch值加1，然后遍历每个栈帧中包含的BasicObjectLock，如果其关联的锁对象oop是该Klass，则增加该oop的对象头中的epoch值，遍历完成后将触发批量重偏向的这个锁对象oop重新偏向给当前线程。

本例中在User类的20个对象的偏向锁都撤销偏向后，偏向锁撤销计数器的值为20，达到了偏向锁批量重偏向的阈值，就会触发批量重偏向。当前线程即为线程B。

批量撤销

示例代码

创建40个锁对象，创建2个线程A、B、C，线程A先执行，让线程B等待线程A执行结束后再执行，让线程C等待线程B执行结束后再执行；

在线程A中循环获取这40个锁对象；线程A执行完后，唤醒线程B，让线程B循环获取这40个已经偏向线程A的锁对象；

线程B执行完后，唤醒线程C，让线程C循环获取这40个锁对象（根据上面