synchronized的锁升级过程

## 1.用法
synchronized可用来给对象和方法或者代码块加锁，当它锁定一个方法或者一个代码块的时候，同一时刻最多只有一个线程执行这段代码。
synchronized关键字经过Javac编译后，会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit两个字节码指令，参数为一个reference类型的参数变量。锁的java对象根据下面规则判断：
 - 作用于实例方法，当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁；
 - 作用于静态方法，当前类加锁，进去同步代码前要获得当前类对象的锁；
 - 作用于代码块，对括号里配置的对象加锁。

## 2.实现原理
synchronized用的锁存在Java对象头里，Java对象头里的Mark Word默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位。在运行期间，Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。32位JVM的Mark Word可能变化存储为以下5种数据：
![](/media/202109/2021-09-03_085221.png)
锁一共有四种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态随着竞争情况逐渐升级。为了提高获得锁和释放锁的效率，锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级为轻量级锁后不能降级为偏向锁。

### 2.1 偏向锁
当我们创建一个对象时，该对象的部分Markword关键数据如下。

| bitFiled | 是否偏向锁 | 锁标志 |
| --- | --- | -- |
|  hash| 0 | 1 |

从图中可以看出，偏向锁的标志位是“01”，状态是“0”，表示该对象还没有被加上偏向锁。（“1”是表示被加上偏向锁）。该对象被创建出来的那一刻，就有了偏向锁的标志位，这也说明了所有对象都是可偏向的，但所有对象的状态都为“0”，也同时说明所有被创建的对象的偏向锁并没有生效。

不过，当线程执行到临界区（critical section）时，此时会利用CAS(Compare and Swap)操作，将线程ID插入到Markword中，同时修改偏向锁的标志位。

> 所谓临界区，就是只允许一个线程进去执行操作的区域，即同步代码块。CAS是一个原子性操作

此时的Mark word的结构信息如下：

| bitFiled |  | 是否偏向锁 | 锁标志 |
| --- | -- |--- | -- |
|  threadId| epoch| 1 | 01 |

此时偏向锁的状态为“1”，说明对象的偏向锁生效了，同时也可以看到，哪个线程获得了该对象的锁。

偏向锁是jdk1.6引入的一项锁优化，其中的“偏”是偏心的偏。它的意思就是说，这个锁会偏向于第一个获得它的线程，在接下来的执行过程中，假如该锁没有被其他线程所获取，没有其他线程来竞争该锁，那么持有偏向锁的线程将永远不需要进行同步操作。也就是说:在此线程之后的执行过程中，如果再次进入或者退出同一段同步块代码，并不再需要去进行**加锁**或者**解锁**操作，而是会做以下的步骤：

1. Load-and-test，也就是简单判断一下当前线程id是否与Markword当中的线程id是否一致.
2. 如果一致，则说明此线程已经成功获得了锁，继续执行下面的代码.
3. 如果不一致，则要检查一下对象是否还是可偏向，即“是否偏向锁”标志位的值。
4. 如果还未偏向，则利用CAS操作来竞争锁，也即是第一次获取锁时的操作。

**释放锁**
偏向锁的释放采用了一种只有竞争才会释放锁的机制，线程是不会主动去释放偏向锁，需要等待其他线程来竞争。偏向锁的撤销需要等待全局安全点（安全点市处理器不分配时间，这个特殊的位置保存了线程上下文的全部信息）。其步骤如下：

1. 暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象石是否还处于被锁定状态；
2. 撤销偏向锁，恢复到无锁状态或者轻量级锁的状态；
3. 安全点会导致stw（stop the word），导致性能下降，这种情况下应当禁用；
4. 查看停顿–安全点停顿日志

要查看安全点停顿，可以打开安全点日志，通过设置JVM参数 -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime 会打出系统停止的时间，

添加-XX:+PrintSafepointStatistics -XX:PrintSafepointStatisticsCount=1 这两个参数会打印出详细信息，可以查看到使用偏向锁导致的停顿，时间非常短暂，但是争用严重的情况下，停顿次数也会非常多；

**注意：安全点日志不能一直打开**：

安全点日志默认输出到stdout，一是stdout日志的整洁性，二是stdout所重定向的文件如果不在/dev/shm，可能被锁。
对于一些很短的停顿，比如取消偏向锁，打印的消耗比停顿本身还大。
安全点日志是在安全点内打印的，本身加大了安全点的停顿时间。
所以安全日志应该只在问题排查时打开。
如果在生产系统上要打开，再再增加下面四个参数：
-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX: -DisplayVMOutput -XX:+LogVMOutput -XX:LogFile=/dev/shm/vm.log
打开Diagnostic（只是开放了更多的flag可选，不会主动激活某个flag），关掉输出VM日志到stdout，输出到独立文件,/dev/shm目录（内存文件系统）。

此日志分三部分：
第一部分是时间戳，VM Operation的类型
第二部分是线程概况，被中括号括起来

| total | initially_running |wait_to_block|
| --- | --- | -- |
| 安全点里的总线程数 |安全点时开始时正在运行状态的线程数  |在VM Operation开始前需要等待其暂停的线程数 |

第三部分是到达安全点时的各个阶段以及执行操作所花的时间，其中最重要的是vmop

| spin | block |sync|cleanup|vmop|
| --- | --- | -- | -- | -- |
| 等待线程响应safepoint号召的时间 |暂停所有线程所用的时间  |等于 spin+block,判断安全点耗时 |清理所用时间|真正执行VM Operation的时间|

可见，那些很多但又很短的安全点，全都是RevokeBias， 高并发的应用会禁用掉偏向锁。

**jvm开启/关闭偏向锁**

开启偏向锁：-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking

### 2.2 轻量级锁

轻量级锁的目标是，减少无实际竞争情况下，使用重量级锁产生的性能消耗，包括系统调用引起的内核态与用户态切换、线程阻塞造成的线程切换等。

顾名思义，轻量级锁是相对于重量级锁而言的。使用轻量级锁时，不需要申请互斥量，会创建一个新的栈帧Lock Record（Lock Record：JVM检测到当前对象是无锁状态，则会在当前线程的栈帧中创建一个名为LOCKRECOD表空间用于拷贝Mark word中的数据），然后将Mark Word中的部分字节用CAS的方式更新指向该栈帧。如果更新成功，则轻量级锁获取成功，记录锁状态为轻量级锁；否则，说明已经有线程获得了轻量级锁，目前发生了锁竞争（不适合继续使用轻量级锁），接下来膨胀为重量级锁。

当然，由于轻量级锁天然瞄准不存在锁竞争的场景，如果存在锁竞争但不激烈，仍然可以用自旋锁优化，自旋失败后再膨胀为重量级锁。

自旋锁（while不断尝试获取锁，在竞争不频繁且锁存活较短时可用，可以避免内核态和用户态的切换）的目标是降低线程切换的成本。如果锁竞争激烈，我们不得不依赖于重量级锁，让竞争失败的线程阻塞；如果完全没有实际的锁竞争，那么申请重量级锁都是浪费的。

轻量级锁的缺点：同自旋锁相似：如果锁竞争激烈，那么轻量级将很快膨胀为重量级锁，那么维持轻量级锁的过程就成了浪费。

### 2.3 重量级锁
轻量级锁膨胀之后，就升级为重量级锁了。重量级锁是依赖对象内部的monitor锁来实现的，而monitor又依赖操作系统的MutexLock(互斥锁)来实现的，所以重量级锁也被成为互斥锁。
当轻量级所经过锁撤销等步骤升级为重量级锁之后，它的Markword部分数据大体如下

| bitFiled |  锁标志 |
| --- | -- |
|  指向信号量的指针| 10 |

为什么说重量级锁开销大呢

主要是，当系统检查到锁是重量级锁之后，会把等待想要获得锁的线程进行阻塞，被阻塞的线程不会消耗cup。但是阻塞或者唤醒一个线程时，都需要操作系统来帮忙，这就需要从用户态转换到内核态，而转换状态是需要消耗很多时间的，有可能比用户执行代码的时间还要长。
这就是说为什么重量级线程开销很大的。

互斥锁(重量级锁)也称为阻塞同步、悲观锁

## 3. 总结
偏向所锁，轻量级锁都是乐观锁，重量级锁是悲观锁。

一个对象刚开始实例化的时候，没有任何线程来访问它的时候。它是可偏向的，意味着，它现在认为只可能有一个线程来访问它，所以当第一个
线程来访问它的时候，它会偏向这个线程，此时，**对象持有偏向锁**。偏向第一个线程，这个线程在修改对象头成为偏向锁的时候使用CAS操作，并将
对象头中的ThreadID改成自己的ID，之后再次访问这个对象时，只需要对比ID，不需要再使用CAS在进行操作。

一旦有第二个线程访问这个对象，因为偏向锁不会主动释放，所以第二个线程可以看到对象时偏向状态，这时表明在这个对象上已经存在竞争了，检查原来持有该对象锁的线程是否依然存活，如果挂了，则可以将对象变为无锁状态，然后重新偏向新的线程，如果原来的线程依然存活，则马上执行那个线程的操作栈，检查该对象的使用情况，如果仍然需要持有偏向锁，则**偏向锁升级为轻量级锁的**。如果不存在使用了，则可以将对象回复成无锁状态，然后重新偏向。

轻量级锁认为竞争存在，但是竞争的程度很轻，一般两个线程对于同一个锁的操作都会错开，或者说稍微等待一下（自旋），另一个线程就会释放锁。但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，**轻量级锁膨胀为重量级锁**，重量级锁使除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞，防止CPU空转

作者：奋斗小周
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