接觸過(guò)線(xiàn)程安全的同學(xué)想必都使用過(guò)synchronized這個(gè)關(guān)鍵字于游，在java同步代碼快中耿焊，synchronized的使用方式無(wú)非有兩個(gè):
- 通過(guò)對(duì)一個(gè)對(duì)象進(jìn)行加鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)同步，如下面代碼。
synchronized(lockObject){ //代碼 }
- 對(duì)一個(gè)方法進(jìn)行synchronized聲明储笑，進(jìn)而對(duì)一個(gè)方法進(jìn)行加鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。如下面代碼
public synchornized void test(){ //代碼}
但這里需要指出的是圆恤，無(wú)論是對(duì)一個(gè)對(duì)象進(jìn)行加鎖還是對(duì)一個(gè)方法進(jìn)行加鎖突倍，實(shí)際上，都是對(duì)對(duì)象進(jìn)行加鎖盆昙。
也就是說(shuō)羽历，對(duì)于方式2，實(shí)際上虛擬機(jī)會(huì)根據(jù)synchronized修飾的是實(shí)例方法還是類(lèi)方法淡喜，去取對(duì)應(yīng)的實(shí)例對(duì)象或者Class對(duì)象來(lái)進(jìn)行加鎖秕磷。
對(duì)于synchronized這個(gè)關(guān)鍵字，可能之前大家有聽(tīng)過(guò)炼团，他是一個(gè)重量級(jí)鎖澎嚣，開(kāi)銷(xiāo)很大，建議大家少用點(diǎn)瘟芝。但大家可能也聽(tīng)說(shuō)過(guò)易桃，但到了jdk1.6之后，該關(guān)鍵字被進(jìn)行了很多的優(yōu)化锌俱，已經(jīng)不像以前那樣不給力了晤郑，建議大家多使用。
那么它是進(jìn)行了什么樣的優(yōu)化，才使得synchronized又深得人心呢造寝？為何重量級(jí)鎖開(kāi)銷(xiāo)就大呢磕洪？
想必大家也都聽(tīng)說(shuō)過(guò)輕量級(jí)鎖，重量級(jí)鎖匹舞，自旋鎖褐鸥，自適應(yīng)自旋鎖，偏向鎖等等赐稽，他們都有哪些區(qū)別呢叫榕？
剛才和大家說(shuō)，鎖是加在對(duì)象上的姊舵，那么一個(gè)線(xiàn)程是如何知道這個(gè)對(duì)象被加了鎖呢晰绎？又是如何知道它加的是什么類(lèi)型的鎖呢？
基于這些問(wèn)題括丁，下面我講一步一步講解synchronized是如何被優(yōu)化的荞下，是如何從偏向鎖到重量級(jí)鎖的。
鎖對(duì)象
剛才我們說(shuō)史飞，鎖實(shí)際上是加在對(duì)象上的尖昏，那么被加了鎖的對(duì)象我們稱(chēng)之為鎖對(duì)象，在java中构资，任何一個(gè)對(duì)象都能成為鎖對(duì)象抽诉。
為了讓大家更好著理解虛擬機(jī)是如何知道這個(gè)對(duì)象就是一個(gè)鎖對(duì)象的，我們下面簡(jiǎn)單介紹一下java中一個(gè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)吐绵。
java對(duì)象在內(nèi)存中的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)主要有一下三個(gè)部分：
- 對(duì)象頭
- 實(shí)例數(shù)據(jù)
- 填充數(shù)據(jù)
這里強(qiáng)調(diào)一下迹淌，對(duì)象頭里的數(shù)據(jù)主要是一些運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)。
其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)如下
| 長(zhǎng)度 | 內(nèi)容 | 說(shuō)明 |
|---|---|---|
| 32/64bit | Mark Work | hashCode,GC分代年齡己单，鎖信息 |
| 32/64bit | Class Metadata Address | 指向?qū)ο箢?lèi)型數(shù)據(jù)的指針 |
| 32/64bit | Array Length | 數(shù)組的長(zhǎng)度(當(dāng)對(duì)象為數(shù)組時(shí)) |
從該表格中我們可以看到唉窃，對(duì)象中關(guān)于鎖的信息是存在Markword里的。
我們來(lái)看一段代碼
LockObject lockObject = new LockObject();//隨便創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象synchronized(lockObject){ //代碼}
當(dāng)我們創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象LockObject時(shí)纹笼，該對(duì)象的部分Markword關(guān)鍵數(shù)據(jù)如下纹份。
| bit fields | 是否偏向鎖 | 鎖標(biāo)志位 |
|---|---|---|
| hash | 0 | 01 |
從圖中可以看出，偏向鎖的標(biāo)志位是“01”廷痘，狀態(tài)是“0”矮嫉，表示該對(duì)象還沒(méi)有被加上偏向鎖。（“1”是表示被加上偏向鎖）牍疏。該對(duì)象被創(chuàng)建出來(lái)的那一刻蠢笋，就有了偏向鎖的標(biāo)志位，這也說(shuō)明了所有對(duì)象都是可偏向的鳞陨，但所有對(duì)象的狀態(tài)都為“0”昨寞，也同時(shí)說(shuō)明所有被創(chuàng)建的對(duì)象的偏向鎖并沒(méi)有生效瞻惋。
偏向鎖
不過(guò)，當(dāng)線(xiàn)程執(zhí)行到臨界區(qū)（critical section）時(shí)援岩，此時(shí)會(huì)利用CAS(Compare and Swap)操作歼狼，將線(xiàn)程ID插入到Markword中，同時(shí)修改偏向鎖的標(biāo)志位享怀。
所謂臨界區(qū)羽峰，就是只允許一個(gè)線(xiàn)程進(jìn)去執(zhí)行操作的區(qū)域，即同步代碼塊添瓷。CAS是一個(gè)原子性操作
此時(shí)的Mark word的結(jié)構(gòu)信息如下：
| bit fields | 是否偏向鎖 | 鎖標(biāo)志位 | |
|---|---|---|---|
| threadId | epoch | 1 | 01 |
此時(shí)偏向鎖的狀態(tài)為“1”梅屉，說(shuō)明對(duì)象的偏向鎖生效了，同時(shí)也可以看到鳞贷，哪個(gè)線(xiàn)程獲得了該對(duì)象的鎖坯汤。
那么，什么是偏向鎖?
偏向鎖是jdk1.6引入的一項(xiàng)鎖優(yōu)化搀愧，其中的“偏”是偏心的偏惰聂。它的意思就是說(shuō)，這個(gè)鎖會(huì)偏向于第一個(gè)獲得它的線(xiàn)程咱筛，在接下來(lái)的執(zhí)行過(guò)程中搓幌，假如該鎖沒(méi)有被其他線(xiàn)程所獲取，沒(méi)有其他線(xiàn)程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)該鎖迅箩，那么持有偏向鎖的線(xiàn)程將永遠(yuǎn)不需要進(jìn)行同步操作溉愁。
也就是說(shuō):
在此線(xiàn)程之后的執(zhí)行過(guò)程中，如果再次進(jìn)入或者退出同一段同步塊代碼沙热，并不再需要去進(jìn)行加鎖或者解鎖操作，而是會(huì)做以下的步驟：
- Load-and-test罢缸，也就是簡(jiǎn)單判斷一下當(dāng)前線(xiàn)程id是否與Markword當(dāng)中的線(xiàn)程id是否一致.
- 如果一致篙贸，則說(shuō)明此線(xiàn)程已經(jīng)成功獲得了鎖，繼續(xù)執(zhí)行下面的代碼.
- 如果不一致枫疆，則要檢查一下對(duì)象是否還是可偏向爵川，即“是否偏向鎖”標(biāo)志位的值。
- 如果還未偏向息楔，則利用CAS操作來(lái)競(jìng)爭(zhēng)鎖寝贡，也即是第一次獲取鎖時(shí)的操作。
如果此對(duì)象已經(jīng)偏向了值依，并且不是偏向自己圃泡，則說(shuō)明存在了競(jìng)爭(zhēng)。此時(shí)可能就要根據(jù)另外線(xiàn)程的情況愿险，可能是重新偏向颇蜡，也有可能是做偏向撤銷(xiāo)，但大部分情況下就是升級(jí)成輕量級(jí)鎖了。
可以看出风秤，偏向鎖是針對(duì)于一個(gè)線(xiàn)程而言的鳖目，線(xiàn)程獲得鎖之后就不會(huì)再有解鎖等操作了，這樣可以省略很多開(kāi)銷(xiāo)缤弦。假如有兩個(gè)線(xiàn)程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)該鎖話(huà)领迈，那么偏向鎖就失效了，進(jìn)而升級(jí)成輕量級(jí)鎖了碍沐。
為什么要這樣做呢狸捅？因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)表明，其實(shí)大部分情況下抢韭，都會(huì)是同一個(gè)線(xiàn)程進(jìn)入同一塊同步代碼塊的薪贫。這也是為什么會(huì)有偏向鎖出現(xiàn)的原因。
在Jdk1.6中刻恭，偏向鎖的開(kāi)關(guān)是默認(rèn)開(kāi)啟的瞧省，適用于只有一個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)同步塊的場(chǎng)景。
鎖膨脹
剛才說(shuō)了鳍贾，當(dāng)出現(xiàn)有兩個(gè)線(xiàn)程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)鎖的話(huà)鞍匾，那么偏向鎖就失效了，此時(shí)鎖就會(huì)膨脹骑科，升級(jí)為輕量級(jí)鎖橡淑。這也是我們經(jīng)常所說(shuō)的鎖膨脹
鎖撤銷(xiāo)
由于偏向鎖失效了，那么接下來(lái)就得把該鎖撤銷(xiāo)咆爽，鎖撤銷(xiāo)的開(kāi)銷(xiāo)花費(fèi)還是挺大的梁棠，其大概的過(guò)程如下：
- 在一個(gè)安全點(diǎn)停止擁有鎖的線(xiàn)程。
- 遍歷線(xiàn)程棧斗埂，如果存在鎖記錄的話(huà)符糊，需要修復(fù)鎖記錄和Markword，使其變成無(wú)鎖狀態(tài)呛凶。
- 喚醒當(dāng)前線(xiàn)程男娄，將當(dāng)前鎖升級(jí)成輕量級(jí)鎖。
所以漾稀，如果某些同步代碼塊大多數(shù)情況下都是有兩個(gè)及以上的線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)的話(huà)模闲，那么偏向鎖就會(huì)是一種累贅，對(duì)于這種情況崭捍，我們可以一開(kāi)始就把偏向鎖這個(gè)默認(rèn)功能給關(guān)閉
輕量級(jí)鎖
鎖撤銷(xiāo)升級(jí)為輕量級(jí)鎖之后尸折，那么對(duì)象的Markword也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的的變化。下面先簡(jiǎn)單描述下鎖撤銷(xiāo)之后殷蛇，升級(jí)為輕量級(jí)鎖的過(guò)程：
- 線(xiàn)程在自己的棧楨中創(chuàng)建鎖記錄 LockRecord翁授。
- 將鎖對(duì)象的對(duì)象頭中的MarkWord復(fù)制到線(xiàn)程的剛剛創(chuàng)建的鎖記錄中拣播。
- 將鎖記錄中的Owner指針指向鎖對(duì)象。
- 將鎖對(duì)象的對(duì)象頭的MarkWord替換為指向鎖記錄的指針收擦。
對(duì)應(yīng)的圖描述如下(圖來(lái)自周志明深入java虛擬機(jī))
之后Markwork如下：
| bit fields | 鎖標(biāo)志位 |
|---|---|
| 指向LockRecord的指針 | 00 |
注：鎖標(biāo)志位”00”表示輕量級(jí)鎖
輕量級(jí)鎖主要有兩種
- 自旋鎖
- 自適應(yīng)自旋鎖
自旋鎖
所謂自旋贮配，就是指當(dāng)有另外一個(gè)線(xiàn)程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)鎖時(shí)，這個(gè)線(xiàn)程會(huì)在原地循環(huán)等待塞赂，而不是把該線(xiàn)程給阻塞泪勒，直到那個(gè)獲得鎖的線(xiàn)程釋放鎖之后，這個(gè)線(xiàn)程就可以馬上獲得鎖的宴猾。
注意圆存，鎖在原地循環(huán)的時(shí)候，是會(huì)消耗cpu的仇哆，就相當(dāng)于在執(zhí)行一個(gè)啥也沒(méi)有的for循環(huán)沦辙。
所以，輕量級(jí)鎖適用于那些同步代碼塊執(zhí)行的很快的場(chǎng)景讹剔，這樣油讯，線(xiàn)程原地等待很短很短的時(shí)間就能夠獲得鎖了。
經(jīng)驗(yàn)表明延欠，大部分同步代碼塊執(zhí)行的時(shí)間都是很短很短的陌兑，也正是基于這個(gè)原因，才有了輕量級(jí)鎖這么個(gè)東西由捎。
自旋鎖的一些問(wèn)題
- 如果同步代碼塊執(zhí)行的很慢兔综，需要消耗大量的時(shí)間，那么這個(gè)時(shí)侯狞玛，其他線(xiàn)程在原地等待空消耗cpu软驰，這會(huì)讓人很難受。
- 本來(lái)一個(gè)線(xiàn)程把鎖釋放之后心肪，當(dāng)前線(xiàn)程是能夠獲得鎖的锭亏，但是假如這個(gè)時(shí)候有好幾個(gè)線(xiàn)程都在競(jìng)爭(zhēng)這個(gè)鎖的話(huà)，那么有可能當(dāng)前線(xiàn)程會(huì)獲取不到鎖蒙畴，還得原地等待繼續(xù)空循環(huán)消耗cup贰镣，甚至有可能一直獲取不到鎖呜象。
基于這個(gè)問(wèn)題膳凝，我們必須給線(xiàn)程空循環(huán)設(shè)置一個(gè)次數(shù)，當(dāng)線(xiàn)程超過(guò)了這個(gè)次數(shù)恭陡，我們就認(rèn)為蹬音，繼續(xù)使用自旋鎖就不適合了，此時(shí)鎖會(huì)再次膨脹休玩，升級(jí)為重量級(jí)鎖著淆。
默認(rèn)情況下劫狠，自旋的次數(shù)為10次，用戶(hù)可以通過(guò)-XX:PreBlockSpin來(lái)進(jìn)行更改永部。
自旋鎖是在JDK1.4.2的時(shí)候引入的
自適應(yīng)自旋鎖
所謂自適應(yīng)自旋鎖就是線(xiàn)程空循環(huán)等待的自旋次數(shù)并非是固定的独泞，而是會(huì)動(dòng)態(tài)著根據(jù)實(shí)際情況來(lái)改變自旋等待的次數(shù)。
其大概原理是這樣的：
假如一個(gè)線(xiàn)程1剛剛成功獲得一個(gè)鎖苔埋，當(dāng)它把鎖釋放了之后懦砂，線(xiàn)程2獲得該鎖，并且線(xiàn)程2在運(yùn)行的過(guò)程中组橄，此時(shí)線(xiàn)程1又想來(lái)獲得該鎖了荞膘，但線(xiàn)程2還沒(méi)有釋放該鎖，所以線(xiàn)程1只能自旋等待玉工，但是虛擬機(jī)認(rèn)為羽资，由于線(xiàn)程1剛剛獲得過(guò)該鎖，那么虛擬機(jī)覺(jué)得線(xiàn)程1這次自旋也是很有可能能夠再次成功獲得該鎖的遵班，所以會(huì)延長(zhǎng)線(xiàn)程1自旋的次數(shù)屠升。
另外，如果對(duì)于某一個(gè)鎖费奸，一個(gè)線(xiàn)程自旋之后弥激，很少成功獲得該鎖，那么以后這個(gè)線(xiàn)程要獲取該鎖時(shí)愿阐，是有可能直接忽略掉自旋過(guò)程微服，直接升級(jí)為重量級(jí)鎖的，以免空循環(huán)等待浪費(fèi)資源缨历。
輕量級(jí)鎖也被稱(chēng)為非阻塞同步以蕴、樂(lè)觀(guān)鎖，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程并沒(méi)有把線(xiàn)程阻塞掛起辛孵，而是讓線(xiàn)程空循環(huán)等待丛肮，串行執(zhí)行。
重量級(jí)鎖
輕量級(jí)鎖膨脹之后魄缚，就升級(jí)為重量級(jí)鎖了宝与。重量級(jí)鎖是依賴(lài)對(duì)象內(nèi)部的monitor鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而monitor又依賴(lài)操作系統(tǒng)的MutexLock(互斥鎖)來(lái)實(shí)現(xiàn)的冶匹，所以重量級(jí)鎖也被成為互斥鎖习劫。
當(dāng)輕量級(jí)所經(jīng)過(guò)鎖撤銷(xiāo)等步驟升級(jí)為重量級(jí)鎖之后，它的Markword部分?jǐn)?shù)據(jù)大體如下
| bit fields | 鎖標(biāo)志位 |
|---|---|
| 指向Mutex的指針 | 10 |
為什么說(shuō)重量級(jí)鎖開(kāi)銷(xiāo)大呢
主要是嚼隘，當(dāng)系統(tǒng)檢查到鎖是重量級(jí)鎖之后诽里，會(huì)把等待想要獲得鎖的線(xiàn)程進(jìn)行阻塞，被阻塞的線(xiàn)程不會(huì)消耗cup飞蛹。但是阻塞或者喚醒一個(gè)線(xiàn)程時(shí)谤狡，都需要操作系統(tǒng)來(lái)幫忙灸眼，這就需要從用戶(hù)態(tài)轉(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài)，而轉(zhuǎn)換狀態(tài)是需要消耗很多時(shí)間的墓懂，有可能比用戶(hù)執(zhí)行代碼的時(shí)間還要長(zhǎng)焰宣。
這就是說(shuō)為什么重量級(jí)線(xiàn)程開(kāi)銷(xiāo)很大的。
互斥鎖(重量級(jí)鎖)也稱(chēng)為阻塞同步捕仔、悲觀(guān)鎖
總結(jié)
通過(guò)上面的分析宛徊，我們知道了為什么synchronized關(guān)鍵字為何又深得人心，也知道了鎖的演變過(guò)程逻澳。
也就是說(shuō)闸天，synchronized關(guān)鍵字并非一開(kāi)始就該對(duì)象加上重量級(jí)鎖，也是從偏向鎖斜做，輕量級(jí)鎖苞氮，再到重量級(jí)鎖的過(guò)程。
這個(gè)過(guò)程也告訴我們瓤逼，假如我們一開(kāi)始就知道某個(gè)同步代碼塊的競(jìng)爭(zhēng)很激烈笼吟、很慢的話(huà)，那么我們一開(kāi)始就應(yīng)該使用重量級(jí)鎖了霸旗，從而省掉一些鎖轉(zhuǎn)換的開(kāi)銷(xiāo)贷帮。
講到這里就大概完了，希望能對(duì)你有所幫助
