java并发之重量级锁，轻量级锁，偏向锁

  • 一、Java对象头
  • Mark Word结构：
  • 二、Monitor
  • 三、重量级锁
  • 自适应自旋锁
  • 四、轻量级锁
  • 锁膨胀
  • 五、偏向锁

一、Java对象头

由于Java面向对象的思想，在JVM中需要大量存储对象，存储时为了实现一些额外的功能，需要在对象中添加一些标记字段用于增强对象功能，这些标记字段组成了对象头
对象头包含两部分：运行时元数据（Mark Word）和类型指针（Klass Word）

Mark Word结构：

32位

java offset偏移量 java重偏向_java offset偏移量

64位

java offset偏移量 java重偏向_Word_02

二、Monitor

  Monitor 被翻译为监视器或管程

  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

内存结构

java offset偏移量 java重偏向_后端_03

三、重量级锁

图解：
如下图所示，我们有一个临界区代码，当Thread2执行到synchronized(obj)，访问共享资源的时候：

  • 首先会将synchronized中的锁对象中对象头的MarkWord去尝试指向操作系统提供的Monitor对象，让锁对象中的MarkWord和Monitor对象相关联.
    如果关联成功, 将obj对象头中的MarkWord的对象状态从01改为10。
  • 因为该Monitor没有和其他的obj的MarkWord相关联，所以Thread2就成为了该Monitor的Owner(所有者)。
    然后，又来了一个Thread1执行synchronized(obj)代码，它首先会检查是否能执行临界区代码，即检查obj是否关联了Montior，此时已经有关联了,
  • 它就会去看看该Montior有没有所有者(Owner), 发现有所有者了(Thread2)；Thread1也会和该Monitor关联,
    该线程就会进入到它的EntryList(阻塞队列)，EntryList是一个列表，若此时Thread3也执行到synchronized(obj)代码，也会进入阻塞队列。
    -当Thread2执行完临界区代码后, Monitor的Owner(所有者)就空出来了.
    此时就会通知Monitor中的EntryList阻塞队列中的线程, 这些线程通过竞争, 成为新的所有者。

java offset偏移量 java重偏向_Word_04


java offset偏移量 java重偏向_Word_05


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 WAITING 状态的线程
    注意：
      synchronized必须是进入同一对象的monitor才有上述效果
      不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

自适应自旋锁

  jdk1.6之后，引入了自适应自旋锁，在重量级锁当中，也进行了一些优化。
  没持有锁的线程会进入Monitor的EntryList当中进行阻塞，实际情况是，会通过自适应自旋锁进行一定次数的自旋，如果获取到锁了，就避免进入阻塞状态（会进行上下文切换）。如果没获取到锁，此时在进入阻塞状态。
  自旋是占用CPU的，只有在多核CPU中才能发挥优势。
  自适应自旋锁会动态调整自旋次数，获取锁成功的次数多，就会多自旋几次；如果一次都没有成功，则会可能会直接进行阻塞。
  java7后不能控制是否开启自旋锁。

四、轻量级锁

  • 当线程尝试获取这把锁的时候，会创建锁记录（Lock Record），每个线程的栈帧（线程执行到的方法，都会生成对应的栈帧），都会包含一个锁记录的结构，可以用来存储对象的Mark Word，如下所示：
  • 让锁记录中 Object Reference 指向锁对象，并尝试用 CAS（这里可以理解成一个原子操作） 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录（如图上的1），并将锁记录的地址存入Object的Mark Word如下所示：
  • 如果CAS成功，对象的Mark Word将会存储Lock Record 地址 和 锁状态 00，如下图所示：
  • 如果CAS失败，此时会有两种情况：
      如果是其他线程已经持有了该轻量级锁，则表示发生竞争，此时进入锁膨胀。
      如果是自己执行了 synchronized 锁重入（同一个线程给相同对象加了相同的锁），那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数，只不过新添加的Lock Record中没有Object的Mark word内容，为null。如下所示：
  •   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，将null的Lock Record删除。
      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。
      成功，则解锁成功。
      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。

锁膨胀

  假设当前Object对象，已经被Thread1所持有，当Thread2前来竞争这把锁，满足上述条件后，会发生锁膨胀，如下图所示：

java offset偏移量 java重偏向_java offset偏移量_06


  如上所示，此时Thread2来获取轻量级锁肯定失败的，所以会进入锁膨胀的流程：

  1）为Object对象申请Monitor锁，Object的Mark Word指向Monitor地址；Monitor的Owner指向Thread1的锁记录。

  2）Thread2进入Monitor的EntryList当中，状态变成BLOCKED。

java offset偏移量 java重偏向_后端_07


  当Thread1执行完代码块的内容后，开始释放锁，使用CAS去重置Object的Mark Word，此时会失败。因为当前对象头存储的是Monitor的地址。

  所示此时会进入重量级锁的解锁过程。将Monitor的Owner设置为null，同时唤醒EntryList中的Thread-2。

五、偏向锁

原理

  • 首先获取锁 对象的 Markword，判断是否处于可偏向状态。（biased_lock=1、且 ThreadId 为空）
  • 如果是可偏向状态，则通过 CAS 操作，把当前线程的 ID 写入到 MarkWord
      a) 如果 cas 成功，那么 markword 就会变成这样。 表示已经获得了锁对象的偏向锁，接着执行同步代码块
      b) 如果 cas 失败，说明有其他线程已经获得了偏向锁，这种情况说明当前锁存在竞争，需要撤销已获得偏向锁的线程，并且把它持有的锁升级为轻量级锁（这个操作需要等到全局安全点，也就是没有线程在执行字节码）才能执行
  • 如果是已偏向状态，需要检查 markword 中存储的ThreadID 是否等于当前线程的 ThreadID
      a) 如果相等，不需要再次获得锁，可直接执行同步代码块
      b) 如果不相等，说明当前锁偏向于其他线程，需要撤销偏向锁并升级到轻量级锁