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Java编程技术

JAVA偏向锁的原理与实战

1. 偏向锁的核心原理

如果不存在线程竞争的一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向状态，此时Mark Word的结构变为偏向锁结构，锁对象的锁标志位（lock）被改为01，偏向标志位（biased_lock）被改为1，然后线程的ID记录在锁对象的Mark Word中（使用CAS操作完成）。以后该线程获取锁时判断一下线程ID和标志位，就可以直接进入同步块，连CAS操作都不需要，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提升了程序的性能。

关键点：无竞争

缺点：如果锁对象时常被多个线程竞争，偏向锁就是多余的，并且其撤销的过程会带来一些性能开销

2. 偏向锁代码演示

偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，可以加 VM 参数

-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟

package innerlock;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.vm.VM;
public class InnerLockTest {
	int a=1;
	double b=1.1;
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(VM.current().details());
		Person person=new Person();
		ClassLayout layout=ClassLayout.parseInstance(person);
		new Thread(()->{
			System.out.println("获取偏向锁前：");
			System.out.println(layout.toPrintable());
			synchronized (person) {
				System.out.println("获取偏向锁中：");
				System.out.println(layout.toPrintable());
			}
			System.out.println("获取偏向锁结束后：");
			System.out.println(layout.toPrintable());
		}
		,"thread1").start();
	}
}
class Person{
}

在这里插入图片描述

禁用偏向锁：添加 VM 参数 -XX:-UseBiasedLocking

在这里插入图片描述

3. 偏向锁的膨胀与撤销

假如有多个线程来竞争偏向锁，此对象锁已经有所偏向，其他的线程发现偏向锁并不是偏向自己，就说明存在了竞争，尝试撤销偏向锁（很可能引入安全点），然后膨胀到轻量级锁

1. 偏向锁的撤销

1.在一个安全点停止拥有锁的线程

2.遍历线程的栈帧，检查是否存在锁记录。如果存在锁记录，就需要清空锁记录，使其变成无锁状态，并修复锁记录指向的Mark Word，清除其线程ID

3.将当前锁升级成轻量级锁

4.唤醒当前线程

撤销偏向锁的条件(满足其一即可)：

1.多个线程竞争偏向锁

2.调用偏向锁对象的hashcode()方法或者System.identityHashCode()方法计算对象的HashCode之后，将哈希码放置到Mark Word中，内置锁变成无锁状态，偏向锁将被撤销

2. 批量重偏向与撤销

批量重偏向解决的问题:

一个线程创建了大量对象并执行了初始的同步操作，之后在另一个线程中将这些对象作为锁进行之后的操作。这种case下，会导致大量的偏向锁撤销操作。

package innerlock;
import java.util.ArrayList;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.vm.VM;
public class InnerLockTest {
	int a=1;
	double b=1.1;
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		System.out.println(VM.current().details());
		ArrayList<Person> list=new ArrayList<Person>();
		new Thread(()->{
			for(int i=0;i<100;i++)
			{
				Person person=new Person();
				synchronized (person) {
					list.add(person);
				}
			}
			try {
				Thread.sleep(10000);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		,"thread1").start();
		Thread.sleep(3000);
		new Thread(()->{
			for(int i=0;i<30;i++)
			{
				Person person=list.get(i);
				synchronized (person) {
					if(i==17||i==18||i==19||i==21)
					{
						System.out.println("第"+(i+1)+"次偏向结果：");
						System.out.println(ClassLayout.parseInstance(person).toPrintable());
					}
				}
			}
		}
		,"thread2").start();
	}
}
class Person{
}

在这里插入图片描述

结果分析：

先用线程1创建了100个对象锁，这些对象锁都偏向于线程1，后面创建线程2去争夺这些锁，前19次线程2都是抢占失败获得轻量级锁（失败过程中阈值增加），第20次抢占时达到阈值20，这时JVM会认为自己是不是不应该偏向线程1，于是之后开始偏向线程2，线程2之后获得的都是偏向锁

第1-19个对象由于线程2在抢占过程中变为轻量级锁，锁释放后变为无锁状态
第20-30个对象触发批量重定向，锁释放后依旧偏向线程2
第31-100个对象依然和开始一样偏向线程1，锁释放后依旧偏向线程1

批量撤销解决的问题:

存在明显多线程竞争的场景下使用偏向锁是不合适的，例如生产者/消费者队列

package innerlock;
import java.util.ArrayList;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.vm.VM;
public class InnerLockTest {
	int a=1;
	double b=1.1;
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		System.out.println(VM.current().details());
		ArrayList<Person> list=new ArrayList<Person>();
		new Thread(()->{
			for(int i=0;i<100;i++)
			{
				Person person=new Person();
				synchronized (person) {
					list.add(person);
				}
			}
			try {
			//为了防止JVM线程复用，在创建完对象后，保持线程t1状态为存活
				Thread.sleep(10000);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		,"thread1").start();
		Thread.sleep(3000);
		new Thread(()->{
			for(int i=0;i<40;i++)
			{
				Person person=list.get(i);
				synchronized (person) {
					if(i==18||i==19||i==39||i==41)
					{
						System.out.println("t2  第"+(i+1)+"次偏向结果：");
						System.out.println(ClassLayout.parseInstance(person).toPrintable());
					}
				}
			}
			try {
				Thread.sleep(10000);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		,"thread2").start();
		Thread.sleep(3000);
		new Thread(()->{
			for(int i=20;i<40;i++)
			{
				Person person=list.get(i);
				synchronized (person) {
					if(i==20||i==39)
					{
						System.out.println("t3   第"+(i+1)+"次偏向结果：");
						System.out.println(ClassLayout.parseInstance(person).toPrintable());
					}
				}
			}
		}
		,"thread3").start();
		Thread.sleep(1000);
		System.out.println("新创建对象:"+ClassLayout.parseInstance(new Person()).toPrintable());
	}
}
class Person{
}

在这里插入图片描述

做法：

以class为单位，为每个class维护一个偏向锁撤销计数器，每一次该class的对象发生偏向撤销操作时，该计数器+1，当这个值达到重偏向阈值默认20时，JVM就认为该class的偏向锁有问题，因此会进行批量重偏向。每个class对象会有一个对应的epoch字段，每个处于偏向锁状态对象的mark word中也有该字段，其初始值为创建该对象时，class中的epoch的值。每次发生批量重偏向时，就将该值+1，同时遍历JVM中所有线程的栈，找到该class所有正处于加锁状态的偏向锁，将其epoch字段改为新值。下次获得锁时，发现当前对象的epoch值和class的epoch不相等，那就算当前已经偏向了其他线程，也不会执行撤销操作，而是直接通过CAS操作将其mark word的Thread Id 改成当前线程Id

当达到重偏向阈值后，假设该class计数器继续增长，当其达到批量撤销的阈值后（默认40），JVM就认为该class的使用场景存在多线程竞争，会标记该class为不可偏向，之后，对于该class的锁，直接走轻量级锁的逻辑

小结：

在这里插入图片描述

3. 偏向锁的膨胀

如果偏向锁被占据，一旦有第二个线程争抢这个对象，因为偏向锁不会主动释放，所以第二个线程可以看到内置锁偏向状态，这时表明在这个对象锁上已经存在竞争了。JVM检查原来持有该对象锁的占有线程是否依然存活，如果挂了，就可以将对象变为无锁状态，然后进行重新偏向，偏向抢锁线程。如果JVM检查到原来的线程依然存活，就进一步检查占有线程的调用堆栈是否通过锁记录持有偏向锁。如果存在锁记录，就表明原来的线程还在使用偏向锁，发生锁竞争，撤销原来的偏向锁，将偏向锁膨胀（INFLATING）为轻量级锁

总结

本篇文章就到这里了，希望能够给你带来帮助，也希望您能够多多关注编程教程的更多内容!

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