面試高頻問題:JAVA的鎖升級

背景

在java中佳遣，經(jīng)常會用到synchronized關(guān)鍵字來保證線程安全崎岂，那么什么時候會存在線程安全呢慎陵？

共享數(shù)據(jù)的修改
臨界資源訪問

應(yīng)用場景

修飾普通同步方法：鎖當(dāng)前實例對象讥蟆；
修飾靜態(tài)同步方法：鎖當(dāng)前的類Class對象拒垃；
修飾同步代碼塊：鎖Synchronized后面括號里配置的對象窍侧，這個對象可以是任意對象县踢；

synchronized原理

在絕大多數(shù)情況下，都只會有一個線程去訪問synchronized修飾的代碼塊伟件，所以synchronized在jdk1.6之后為了提升效率硼啤，優(yōu)化了synchronized的機制，就是所謂的鎖升級斧账。通過對象頭及ObjectMonitor對象將鎖劃分了幾個類型谴返，其升級順序為：無鎖->偏向鎖->輕量級鎖->重量級鎖煞肾，要了解它的原理，則必須要了解對象頭嗓袱。

對象頭

java對象保存在內(nèi)存中籍救，由3個部分組成：

對象頭
實例數(shù)據(jù)
對齊填充字節(jié)

這里，我們只對對象頭加以說明

1渠抹、對象頭的存在形式

JVM中的對象頭有兩種形式蝙昙，它由三部分組成：

Mark Word
Klass Pointer(指向類的指針)
數(shù)組長度（只有數(shù)組對象才有）

1.1 普通對象

|--------------------------------------------------------------|
|                     Object Header (64 bits)                  |
|------------------------------------|-------------------------|
|        Mark Word (32 bits)         |    Klass Word (32 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|

1.2 數(shù)組對象

|---------------------------------------------------------------------------------|
|                                 Object Header (96 bits)                         |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
|        Mark Word(32bits)       |    Klass Word(32bits) |  array length(32bits)  |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|

2、對象頭組成

2.1 MarkWord

這部分主要存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù)梧却，如hashCode,gc分代年齡奇颠，鎖標記等等。MarkWord的長度根據(jù)jvm來確認放航，32位的JVM的mark word為32bit烈拒，64位的mark word為64bit。當(dāng)一個對象被synchronized關(guān)鍵字當(dāng)成同步鎖時广鳍，圍繞這個鎖的一系列操作都和Mark Word有關(guān)荆几。

Mark Word在不同的鎖狀態(tài)下，存儲不同赊时，在32位JVM中是這樣的：

|-------------------------------------------------------|-----------------------------------------|
|                  Mark Word (32 bits)                 |       狀態(tài)                                |
|----------------------------------------- -------------|-----------------------------------------|
| identity hashcode:25 | 分代年齡:4 | 是否偏向鎖:1 | 鎖標志位:2 |無鎖        |
|------------------------------------------------------|----------------------------------------  |
|  thread id:23 | epoch:2 | 分代年齡:4 | 是否偏向鎖:1 | 鎖標志位:2 |  偏向鎖|
|-----------------------------------------------------|--------------------|
|               指向棧中鎖記錄的指針:30          | 鎖標志位:2   |           輕量級鎖|
|--------------------------------------  -------------|-------------------------------------------|
|               指向重量級鎖的指針:30  | 鎖標志位:2 |                    重量級鎖  |
|----------------------------------------------------|-------------------------------------------|
|                 空                     | 鎖標志位:2 |GC  標記

注意：hashCode與identity hashcode并非完全是一個東西伴郁，identity hashcode是Object的hashCode

2.2 指向類的指針

該指針在32位JVM中的長度是32bit，在64位JVM中長度是64bit蛋叼。

Java對象的類數(shù)據(jù)保存在方法區(qū)焊傅。

2.3 數(shù)組長度

只有數(shù)組對象保存了這部分數(shù)據(jù)。

該數(shù)據(jù)在32位和64位JVM中長度都是32bit狈涮。

Monitor

當(dāng)鎖膨脹為重量級鎖時狐胎，多個線程來訪問一段同步代碼時，這些線程會被放到一個EntrySet集合中歌馍，處于阻塞狀態(tài)的線程都會被放到該列表中握巢。接下來，當(dāng)線程獲取到對象的Monitor時松却，Monitor是依賴于底層操作系統(tǒng)的mutex lock來實現(xiàn)互斥的暴浦，線程獲取mutex成功，則會持有改mutex晓锻，這時其他線程就無法再獲取到該mutex

如果線程調(diào)用了wait方法歌焦，那么該線程就會釋放掉所持有的mutex,并且該線程會進入到WaitSet集合中，等待下一次被其他線程調(diào)用notify/notifyAll喚醒砚哆。如果當(dāng)前線程順利執(zhí)行完畢方法独撇，那么它也會釋放掉所持有的mutex。

由于這種實現(xiàn)方式纷铣，Monitor是依賴底層的操作系統(tǒng)實現(xiàn)，這樣存在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的切換以躯，所以會增加性能開銷啄踊。

鎖升級的過程

JVM一般是這樣使用鎖和Mark Word的：

1忧设、當(dāng)沒有被當(dāng)做鎖的時候社痛，這就是個普通對象命雀，鎖標志位為01，是否偏向鎖為0

2撵儿、當(dāng)對象被當(dāng)做同步鎖時狐血，一個線程A搶到鎖時，鎖標志位依然是01匈织，是否偏向鎖為1，前23位記錄A線程的線程ID纳决，此時鎖升級為偏向鎖

3乡小、當(dāng)線程A再次試圖來獲得鎖時，JVM發(fā)現(xiàn)同步鎖對象的標志位是01满钟，是否偏向鎖是1，也就是偏向狀態(tài)湃番，Mark Word中記錄的線程id就是線程A自己的id，表示線程A已經(jīng)獲得了這個偏向鎖摔癣，可以執(zhí)行同步鎖的代碼，這也是偏向鎖的意義

4择浊、當(dāng)一個線程B嘗試獲取鎖，JVM發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的鎖處于偏向狀態(tài)投剥，并且現(xiàn)場ID不是B線程的ID担孔，那么線程B會先用CAS將線程id改為自己的，這里是有可能成功的糕篇，因為A線程一般不會釋放偏向鎖。如果失敗挑豌，則執(zhí)行5

5墩崩、偏向鎖搶鎖失敗氓英，則說明當(dāng)前鎖存在一定的競爭鹦筹，偏向鎖就升級為輕量級鎖。JVM會在當(dāng)前線程的現(xiàn)場棧中開辟一塊單獨的空間徘键，里面保存指向?qū)ο箧iMark Word的指針遍蟋，同時在對象鎖MarkWord中保存指向這片空間的指針。上面的保存都是CAS操作匿值，如果競爭成功，代表線程B搶到了鎖钟些，可以執(zhí)行同步代碼绊谭。如果搶鎖失敗，則繼續(xù)執(zhí)行6

6达传、輕量級鎖搶鎖失敗迫筑，則JVM會使用自旋鎖宗弯，自旋鎖并非是一個鎖，則是一個循環(huán)操作辕棚，不斷的嘗試獲取鎖邓厕。從JDK1.7開始，自旋鎖默認開啟详恼，自旋次數(shù)由JVM決定。如果搶鎖成功挽铁，則執(zhí)行同步代碼硅堆；如果搶鎖失敗贿讹，則執(zhí)行7

7、自旋鎖重試之后仍然未搶到鎖民褂，同步鎖會升級至重量級鎖，鎖標志位改為10面殖，在這個狀態(tài)下哭廉，未搶到鎖的線程都會被阻塞，由Monitor來管理遵绰，并會有線程的park與unpark，因為這個存在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換乌企，比較消耗資源成玫，故名重量級鎖