看看我给面试官是如何娓娓道来synchronized锁升级过程的

备战2022春招或暑期实习，祝大家每天进步亿点点！Java并发编程Day8

本篇总结的是 如何在Java中避免创建不必要的对象，后续会每日更新~

关于《我们一起学Redis》、《我们一起学HarmonyOS》等知识点可以查看我的往期博客

相信自己，越活越坚强，活着就该逢山开路，遇水架桥！生活，你给我压力，我还你奇迹！ 目录

1、简介

2、锁升级

2.1 无锁状态

2.2 偏向锁

2.3 轻量级锁

2.4 重量级锁

1、简介

synchronized是Java并发领域元老级人物，synchronized很多程序员都会用，它有三种表现形式。

普通同步方法 -> synchronized锁住的是当前对象

synchronized在很多人眼里都是性能低的并发实现方式，早期Java中synchronized确实是一把重量级锁，在JDK1.6之后对synchronized做了全面的优化，优化主要思路是：同步代码块大多数场景下并不存在多线程竞争的情况，通俗点说就是大部分情况下这把锁其实不需要。因此JDK1.6引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，从此以后synchronized中锁一共有4个状态，分别是无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态。锁的四个状态是一个升级打怪的过程，只能不断升级而不能降级，当锁已经成为重量级锁了，就无法回到轻量级锁。

2、锁升级

2.1 无锁状态

在32位虚拟机中，无锁状态的对象头中的Mark Word组成如下所示（对象头不了解可以查看本专栏中的Monitor文章） 一个对象初始状态都是无锁状态，我们主要关注最后三位：

biased_lock占一位，表示是否是偏向锁，初始值为0，表示不是偏向锁

lock_state占两位，表示锁标志位或锁状态，初始值为10，表示无锁状态

默认情况下开启偏向锁，因此如果不关闭偏向锁，上述biased_lock值应该为1。

2.2 偏向锁

为什么会设计偏向锁这个东西呢？

这是因为大多数情况下，同步代码压根就没有竞争的情况发生，也就是一把锁一直是同一个线程在加锁、执行同步代码、解锁，这种情况是不是可以优化呢？当然可以啦！那怎么优化呢？这就是偏向锁干的事情。

比如如下代码，在未使用偏向锁的情况下需要两次加锁解锁操作，而使用偏向锁则免去了这些操作。

什么是偏向锁呢？

从字面上就能理解，偏向锁就是偏向某个线程的锁，将这个锁对象想办法标记为当前线程就可以了，线程怎么区分呢？就用线程ID做标记嘛，把线程ID搞到锁对象里面就可以了嘛！

具体怎么实现的呢？

当某个线程访问同步代码需要获取锁时，不再直接去关联一个monitor对象，而是使用CAS将线程ID设置到对象头中的Mark Word中，并且线程栈帧中的锁记录中也会存储锁偏向的线程ID，这样只要锁不发生竞争，同一个线程多次尝试获取同一把锁的时候，只需要比较锁对象头的Mark Word中是不是偏向当前线程即可。

在32位虚拟机中，处于偏向锁的对象头的Mark Word组成如下所示：

前23位被设置成偏向线程的ID，biased_lock被设置成1，表示当前锁对象处于偏向锁状态，指的注意的是偏向锁的锁标志位和无锁标志位是一样都是10 共64位，高位请脑海里补0

初始Mark Word为0x0000000000000005 -> 二进制 100000000000000000000000000101

偏向线程t1之后为0x000000002022b805 -> 二进制 100000001000101011100000000101

可以看到此时Mark Word中标记了线程ID （注意这个线程id是操作系统分配的线程id，不是虚拟机中java给定的线程id，不信你试试看）,重复获取同一把锁t1线程只需要比较线程id即可。

可以看到Mark Word的变化(共64位，高位请脑海里补0)：

初始默认开启偏向锁0x0000000000000005 -> 10000000000000000000000000000000101

调用hashcode()方法0x000000063e31ee01 -> 11000111110001100011110111000000001

线程id0x063e31ee -> 110001111100011000111101110

可以看到调用hashCode()方法之后，MarkWord的最低3位由101转换为001了，偏向锁被取消了，此时Mark Word的组成就由下图所示

因此可以得出结论，当我们调用某个锁对象的hashCode()方法时，默认的偏向锁机制将会被取消。

偏向锁升级为轻量级锁

偏向锁在什么时候会升级为轻量级锁呢？

可以看如下代码，t1对lock对象加锁之后，t2对lock对象加锁。

static final Object lock = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    log.info("初始状态...");
    log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.info(String.valueOf(Thread.currentThread().getId()));
        synchronized (lock) {
            log.info("线程t1第一次持有锁时...");
            log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
        }
    }, "Thread-1");
    t1.start();
    t1.join();
    log.info("线程t1加锁之后...");
    log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        synchronized (lock) {
            log.info("线程t2持有锁时...");
            log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
        }
    }, "Thread-2");
    t2.start();
    t2.join();
    log.info("线程t2释放锁之后...");
    log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
}

可以看到t2线程在t1线程之后持有锁，此时锁由偏向锁升级为轻量级锁了，在t2释放锁之后，锁并没有变化偏向锁，而是回到了轻量级锁状态，这也说明了锁的升级过程是不可逆的。 当时是不是在想，这个锁记录是用来干啥的呢？

其实这个锁记录就是用来解决轻量级锁的。

当锁处于轻量级锁状态时，线程在执行同步代码之前，JVM会现在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间——这个就是锁记录，并且将锁对象头中的Mark Word复制到锁记录中，然后通过CAS尝试将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针，如果替换成功则当前线程获得锁，如果失败则尝试自旋获取锁，自旋获取锁又有成功和失败两种情况，如果自旋获取锁失败了则锁膨胀为重量级锁。

在32位虚拟机中，处于轻量级锁的对象头的Mark Word组成如下所示： 具体实现方式

上面说了轻量级锁时，JVM会尝试将栈帧的锁记录地址设值到锁对象头的Mark Word中，那具体是怎么替换呢？

首先来看锁记录的内部构造:

锁记录有一个Lock Record地址，Lock Record地址用于记录锁记录的内存地址，当前线程通过CAS替换锁对象的Mark Word，如果成功则会将Mark Word的前62位信息记录在Lock Record地址中，Lock Record地址中的锁记录地址写入Mark Word中。

Object Reference用于记录锁对象的内存地址，当获取锁成功时Object Reference替换为锁对象内存地址

package com.test;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
/**
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/12/4 22:50
 */
@Slf4j
public class ThinLockingDemo {
    static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.info("初始状态...");
        log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            method1();
        }, "Thread-1");
        t1.start();
        t1.join();
        log.info("线程t1释放锁之后...");
        log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
    }
    private static void method2() {
        synchronized (lock) {
            log.info("线程t1第二次持有锁时...");
            log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
        }
    }
    private static void method1() {
        log.info(String.valueOf(Thread.currentThread().getId()));
        synchronized (lock) {
            log.info("线程t1第一次持有锁时...");
            log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
        }
        method2();
    }
}

当t1线程运行结束尝试通过CAS替换锁对象Lock的Mark Word时，此时替换会失败，因为锁对象Lock的Mark Word已经被t2线程修改成Monitor的地址了，那怎么办呢？这个时候就得按照重量级锁那一套流程走了，t1线程会根据Mark Word中的Monitor内存地址找到Monitor对象，将Owner设置为null，并且将阻塞在EntryList中的线程唤醒，此时t2就可以重新参与锁对象Lock的竞争了，此时锁对象已经膨胀为重量级锁了。

最后我们来通过代码看下锁膨胀过程：

package com.test;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/12/5 00:21
 */
@Slf4j
public class ThinLockingDemo {
    static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.info("初始状态...");
        log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            method1();
        }, "Thread-1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            method2();
        }, "Thread-2");
        t1.start();
        // 运行t1先获取锁
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.info("线程t1释放锁之后...");
        log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
    }
    private static void method1() {
        synchronized (lock) {
            log.info("线程t1持有锁时...");
            log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
            try {
                // t1睡眠5秒，允许t2竞争锁
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    private static void method2() {
        synchronized (lock) {
            log.info("线程t2持有锁时...");
            log.info(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

2.4 重量级锁

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