Java中的synchronized锁膨胀详解
1. 基本概念
Java对象头
Java对象的对象头信息中的 Mark Word 主要是用来记录对象的锁信息的。
现在看一下 Mark Word 的对象头信息。如下:
其实可以根据 mark word 的后3位就可以判断出当前的锁是属于哪一种锁。注意:表格中的正常锁其实就是无锁状态了。
2. 几种锁以及原理
无锁
正常创建的对象,状态为无锁。对象头的Mark Word 中主要记录了 对象的年龄,也就是经历了多少次GC还存活下来。
偏向锁
对象头的Mark Word 中记录的信息比正常锁多的是 记录了线程的信息,也就是线程的id。偏向锁,字面意思就是比较偏心,偏向于某个线程。
偏向锁加锁原理
经过分析可以看到,thread 字段刚开始的时候为0。工作原理是 cas(thread,0,当前线程), 也就是判断当前的 thread的值如果是0的话,就赋值为当前线程。如果cas 拿锁失败了,那么有俩种情况。
重入
当前线程已经是偏向锁的持有者了,那么只需要判断 thread 字段是否就是当前线程,如果是的话,其实就是当前线程已经拿到这把锁了。那么此时就会在栈中创建lockRecord。因为栈是线程私有的。lockRecord 其实包含俩部分的内容,第一部分内容和锁对象的 markword中的对象是完全一样的。记为M区。第二部分是记录了当前对象,也就是加锁对象的指针。记为O区。在第一次加锁的时候,是不需要创建 lockRecord的。只有在重入的时候,才需要创建 lockRecord的。
其它线程持有锁
那么此时就会升级为轻量级锁。
偏向锁解锁原理
解锁过程非常简单,只需要在当前线程的栈上删除最近的lockRecord对象就可以了。因为重入的时候是不断的创建这些lockRecord对象的。
轻量级锁
主要是将锁对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针,也就是锁记录。注意,这个锁记录是在栈上的。
轻量级锁加锁原理
线程在自己的栈桢中创建锁记录 LockRecord。
将锁对象的对象头中的MarkWord复制到线程的刚刚创建的锁记录中。
将锁对象的对象头的MarkWord替换为指向锁记录的指针。也就是进行cas操作。cas(ptr, null, lockRecord)。也就是如果对象头的ptr指针如果为空,那么就赋值为当前的lockRecord对象。并将线程栈帧中的Lock Record里的owner指针指向Object的 Mark Word。如果赋值成功了,那么就可以认为加锁成功了。
如果加锁失败了,也有俩种情况。
重入。
就是ptr 指向的是另外的一个lockRecord对象,但是也是当前线程创建的。也就是在当前线程的栈上是可以找到这个lockRecord对象。首先在栈上检查是否可以找到这个锁对象。如果可以找到,就是重入。如果是重入,那么就需要将锁记录中的Owner指针指向锁对象。
其它线程持有锁
那么就进入重量级锁。
轻量级锁解锁原理
释放锁的时候,从栈上进行扫描,从后往前 找到最近的lockRecord,删除。
重量级锁
主要是指向一个monitor 对象。
分析如下: synchronized重量级锁解析
3. 看一段程序,看一下锁是如何进行演变的。
package org.example; import sun.misc.Unsafe; import java.lang.reflect.Field; /** * @author frank wy170862@alibaba-inc.com * @date 2020-02-24 */ public class A { public static void main(String[] args) throws Exception { test2(); } /** * 一、正常创建的对象,状态为无锁,观察hashcode和age的变化。hashcode 的计算是惰性的。刚开始的时候,对象的hashcode是0。只有在计算了hashcode以后,才会将hashcode存储到对象头,下次取hashcode的时候,就可以直接从对象头中取出hashcode了。 * * 锁状态:无锁,hashCode:0,age: 0 * --------------- * * 运行hashcode方法,得到hashcode:648129364 * 锁状态:无锁,hashCode:648129364,age: 0 * --------------- * * [GC (System.gc()) [PSYoungGen: 6568K->1095K(76288K)] 6568K->1103K(251392K), 0.0017301 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] * [Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 1095K->0K(76288K)] [ParOldGen: 8K->932K(175104K)] 1103K->932K(251392K), [Metaspace: 3084K->3084K(1056768K)], 0.0054386 secs] [Times: user=0.02 sys=0.01, real=0.01 secs] * 运行一次gc,obj的age+1 * 锁状态:无锁,hashCode:648129364,age: 1 * --------------- * @throws Exception */ private static void test1() throws Exception { Object a = new Object(); printLockHeader(a); System.out.println("运行hashcode方法,得到hashcode:" + a.hashCode());; printLockHeader(a); System.gc(); System.out.println("运行一次gc,obj的age+1"); // sleep 1s 让gc完成,但是不一定能100%触发gc,可以配合添加运行参数 -XX:+PrintGCDetails,观察确实gc了 Thread.sleep(1000); printLockHeader(a); } /** * 二、正常创建的对象,状态为无锁,无锁状态直接加锁会变成轻量锁 * * 锁状态:无锁,hashCode:0,age: 0 * --------------- * * 对a加锁后 * 锁状态:轻量级锁,LockRecord地址:1c00010c6e28 * --------------- * @throws Exception */ private static void test2() throws Exception { Object a = new Object(); printLockHeader(a); synchronized (a){ System.out.println("对a加锁后"); printLockHeader(a); } } /** * 三、程序启动一定时间后,正常创建的对象,状态为偏向锁且thread为0,此时加锁默认为偏向锁 * 一段时间一般是几秒,-XX:BiasedLockingStartupDelay=0可以指定默认就使用偏向锁,而不是无锁 * * 锁状态:偏向锁,thread:0,epoch: 0,age: 0 * --------------- * * 对a加锁后 * 锁状态:偏向锁,thread:137069895700,epoch: 0,age: 0 * --------------- * * 偏向锁重入后 * 锁状态:偏向锁,thread:137069895700,epoch: 0,age: 0 * --------------- * @throws Exception */ private static void test3() throws Exception { Thread.sleep(5*1000); Object a = new Object(); printLockHeader(a); synchronized (a){ System.out.println("对a加锁后"); printLockHeader(a); System.out.println("偏向锁重入后"); synchronized (a){ printLockHeader(a); } } } /** * 四、基于三,当另一个线程尝试使用对象锁的时候,升级为轻量锁 * * 锁状态:偏向锁,thread:0,epoch: 0,age: 0 * --------------- * * 线程1对a加锁后 * 锁状态:偏向锁,thread:137122299998,epoch: 0,age: 0 * --------------- * * 锁释放了 * 线程2对a加锁后 * 锁状态:轻量级锁,LockRecord地址:1c00015e6a18 * --------------- * @throws Exception */ private static void test4() throws Exception { Thread.sleep(5*1000); Object a = new Object(); printLockHeader(a); new Thread( ()->{ synchronized (a){ System.out.println("线程1对a加锁后"); try { printLockHeader(a); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } try { Thread.sleep(10000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } ).start(); // 中间sleep1s,保证锁释放掉,使两个线程不会有竞争关系 Thread.sleep(1000); System.out.println("锁释放了"); new Thread( ()->{ synchronized (a){ System.out.println("线程2对a加锁后"); try { printLockHeader(a); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } ).start(); } /** * 五、基于四,当产生竞争的时候偏向锁直接升级为重量级锁 * * 锁状态:偏向锁,thread:0,epoch: 0,age: 0 * --------------- * * 线程1对a加锁后 * 锁状态:偏向锁,thread:137025283340,epoch: 0,age: 0 * --------------- * * 线程2对a加锁后 * 锁状态:重量级锁,Monitor地址:1fe758800a02 * --------------- * @throws Exception */ private static void test5() throws Exception { Thread.sleep(5*1000); Object a = new Object(); printLockHeader(a); new Thread( ()->{ synchronized (a){ System.out.println("线程1对a加锁后"); try { printLockHeader(a); Thread.sleep(1000); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } ).start(); new Thread( ()->{ synchronized (a){ System.out.println("线程2对a加锁后"); try { printLockHeader(a); Thread.sleep(1000); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } ).start(); } /** * 六、四+五 演示偏向-轻量-重量过程 * * 锁状态:偏向锁,thread:0,epoch: 0,age: 0 * --------------- * * 线程1对a加锁后 * 锁状态:偏向锁,thread:137272648594,epoch: 0,age: 0 * --------------- * * 锁释放 * 线程2对a加锁后 * 锁状态:轻量级锁,LockRecord地址:1c0001b43e18 * --------------- * * 锁释放 * 线程3对a加锁后 * 锁状态:轻量级锁,LockRecord地址:1c0001b43e18 * --------------- * * 线程4对a加锁后 * 锁状态:重量级锁,Monitor地址:1ff616600f02 * --------------- * @throws Exception */ private static void test6() throws Exception { Thread.sleep(5*1000); Object a = new Object(); printLockHeader(a); new Thread( ()->{ synchronized (a){ System.out.println("线程1对a加锁后"); try { printLockHeader(a); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } try { Thread.sleep(10000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } ).start(); // 中间sleep1s,使线程不会有竞争关系 Thread.sleep(1000); System.out.println("锁释放"); new Thread( ()->{ synchronized (a){ System.out.println("线程2对a加锁后"); try { printLockHeader(a); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } ).start(); // 中间sleep1s,使线程不会有竞争关系 Thread.sleep(1000); System.out.println("锁释放"); new Thread( ()->{ synchronized (a){ System.out.println("线程3对a加锁后"); try { printLockHeader(a); Thread.sleep(1000); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } ).start(); // 此时不再sleep,使线程必然发生竞争,升级为重量级锁 new Thread( ()->{ synchronized (a){ System.out.println("线程4对a加锁后"); try { printLockHeader(a); Thread.sleep(1000); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } ).start(); } private static Unsafe getUnsafe() throws Exception { Class<?> unsafeClass = Class.forName("sun.misc.Unsafe"); Field field = unsafeClass.getDeclaredField("theUnsafe"); field.setAccessible(true); return (Unsafe) field.get(null); } private static void printLockHeader(Object obj) throws Exception { Unsafe us = getUnsafe(); StringBuilder sb = new StringBuilder(); int status = us.getByte(obj, 0L) & 0B11; // 0 轻量级 1 无锁或偏向 2 重量级 3 GC标记 switch (status){ case 0: // ptr_to_lock_record:62|lock:2 long ptrToLockRecord = (byteMod(us.getByte(obj, 0L))>>2) + (byteMod(us.getByte(obj, 1L))<<6) + (byteMod(us.getByte(obj, 2L))<<14) + (byteMod(us.getByte(obj, 3L))<<22) + (byteMod(us.getByte(obj, 4L))<<30) + (byteMod(us.getByte(obj, 5L))<<38) + (byteMod(us.getByte(obj, 6L))<<46) + (byteMod(us.getByte(obj, 7L))<<54); sb.append("锁状态:轻量级锁,LockRecord地址:") .append(Long.toHexString(ptrToLockRecord)) ; break; case 1: boolean biased = (us.getByte(obj, 0L)&4) == 4; if(!biased){ // unused:25 | identity_hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 int hashCode = (int)(byteMod(us.getByte(obj, 1L)) + (byteMod(us.getByte(obj, 2L))<<8) + (byteMod(us.getByte(obj, 3L))<<16) + ((byteMod(us.getByte(obj, 4L))&Integer.MAX_VALUE) <<24)) ; int age = (us.getByte(obj,0L)>>3)&0B1111; sb.append("锁状态:无锁,hashCode:") .append(hashCode) .append(",age: ") .append(age); }else{ //thread:54|epoch:2|unused:1| age:4 | biased_lock:1 | lock:2 long thread = (byteMod(us.getByte(obj, 1L))>>2) + (byteMod(us.getByte(obj, 2L))<<6) + (byteMod(us.getByte(obj, 3L))<<14) + (byteMod(us.getByte(obj, 4L))<<22) + (byteMod(us.getByte(obj, 5L))<<30) + (byteMod(us.getByte(obj, 6L))<<38) + (byteMod(us.getByte(obj, 7L))<<46); ; int epoch = us.getByte(obj, 1L) & 0B11; int age = (us.getByte(obj,0L)>>3)&0B1111; sb.append("锁状态:偏向锁,thread:") .append(thread) .append(",epoch: ") .append(epoch) .append(",age: ") .append(age); } break; case 2: // ptr_to_heavyweight_monitor:62| lock:2 long ptrToMonitor = (byteMod(us.getByte(obj, 0L))>>2) + (byteMod(us.getByte(obj, 1L))<<6) + (byteMod(us.getByte(obj, 2L))<<14) + (byteMod(us.getByte(obj, 3L))<<22) + (byteMod(us.getByte(obj, 4L))<<30) + (byteMod(us.getByte(obj, 5L))<<38) + (byteMod(us.getByte(obj, 6L))<<46) + (byteMod(us.getByte(obj, 7L))<<54); sb.append("锁状态:重量级锁,Monitor地址:") .append(Long.toHexString(ptrToMonitor)) ; break; case 3: sb.append("锁状态:GC标记"); break; default: break; } if(obj instanceof Object[]){ int arrLen = us.getInt(obj, 3L); sb.append("对象为数组类型,数组长度:") .append(arrLen); } sb.append("\n").append("---------------").append("\n"); System.out.println(sb.toString()); } private static long byteMod(byte b){ if(b>=0){ return b; } return b + 256; } }
4. 总结
刚开始,程序开始运行的时候,创建的对象都属于无锁对象。程序运行一段时间后,一段时间一般指的是4秒钟,创建的对象属于偏向锁对象。无锁状态下直接加锁会变为轻量级锁。偏向锁状态下的对象,加锁的话,会对当前线程有一个偏向。如果此时再有另外的一个线程过来申请锁,那么就会升级为轻量级锁对象。轻量级锁下,如果存在竞争,那么一定会升级为重量级锁。当然,偏向锁状态下,如果存在竞争,也会升级为重量级锁。
总结起来就是:如果存在竞争,那么一定会升级为重量级锁。如果存在另外一个线程想要拿到这把锁,就会升级为轻量级锁。偏向锁和轻量级锁的区别是:轻量级锁是可以另外一个线程来拿锁,也就是一个线程释放掉锁以后,另外一个线程可以来拿锁,这就是轻量级锁。如果一个线程释放掉锁以后,另外一个线程拿不到这把锁,那么就属于偏向锁。
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