Java中synchronized的優(yōu)化措施

更新時(shí)間：2023年05月17日 10:27:11 作者：真正的飛魚

這篇文章主要介紹了Java中synchronized的優(yōu)化,介紹為了實(shí)現(xiàn)高效并發(fā)，虛擬機(jī)對(duì)synchronized 做的一系列的鎖優(yōu)化措施，本文給大家介紹的非常詳細(xì),需要的朋友可以參考下

高效并發(fā)是從 JDK5 升級(jí)到 JDK6 后一項(xiàng)重要的改進(jìn)項(xiàng)，HotSpot 虛擬機(jī)開發(fā)團(tuán)隊(duì)在 JDK6 這個(gè)版本上花費(fèi)了大量的資源去實(shí)現(xiàn)各種鎖優(yōu)化技術(shù)，如適應(yīng)性自旋（Adaptive Spinning）、鎖消除（Lock Elimination）、鎖膨脹（Lock Coarsening）、輕量級(jí)鎖（Lightweight Locking）、偏向鎖（Biased Locking）等，這些技術(shù)都是為了在線程之間更高效地共享數(shù)據(jù)及解決競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，從而提高程序的執(zhí)行效率。

自旋鎖 & 自適應(yīng)自旋

在許多應(yīng)用上，共享數(shù)據(jù)的鎖定狀態(tài)只會(huì)持續(xù)很短的一段時(shí)間，為了這段時(shí)間去掛起和恢復(fù)線程并不值得。

自旋鎖指的是：線程 A 成功獲取鎖后，線程 B 請(qǐng)求鎖時(shí)，請(qǐng)求鎖的線程 B 執(zhí)行一個(gè)忙循環(huán)（自旋），不放棄處理器的執(zhí)行時(shí)間，看看持有鎖的線程 A 是否會(huì)很快就釋放鎖。自旋等待的時(shí)間有一定的限度，如果自旋超過(guò)了限定的次數(shù)仍然沒(méi)有成功獲得鎖，就應(yīng)當(dāng)使用傳統(tǒng)的方式去掛起線程。

自適應(yīng)自旋指的是：自旋的時(shí)間不再是固定的了，而是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來(lái)決定的。

前面我們討論互斥同步的時(shí)候，提到了互斥同步對(duì)性能影響最大的是阻塞的實(shí)現(xiàn)，掛起線程和恢復(fù)線程的操作都需要轉(zhuǎn)入內(nèi)核態(tài)中完成，這些操作給Java虛擬機(jī)的并發(fā)性能帶來(lái)了很大的壓力。同時(shí)，虛擬機(jī)的開發(fā)團(tuán)隊(duì)也注意到在許多應(yīng)用上，共享數(shù)據(jù)的鎖定狀態(tài)只會(huì)持續(xù)很短的一段時(shí)間，為了這段時(shí)間去掛起和恢復(fù)線程并不值得?，F(xiàn)在絕大多數(shù)的個(gè)人電腦和服務(wù)器都是多路（核）處理器系統(tǒng)，如果物理機(jī)器有一個(gè)以上的處理器或者處理器核心，能讓兩個(gè)或以上的線程同時(shí)并行執(zhí)行，我們就可以讓后面請(qǐng)求鎖的那個(gè)線程“稍等一會(huì)”，但不放棄處理器的執(zhí)行時(shí)間，看看持有鎖的線程是否很快就會(huì)釋放鎖。為了讓線程等待，我們只須讓線程執(zhí)行一個(gè)忙循環(huán)（自旋），這項(xiàng)技術(shù)就是所謂的自旋鎖。

自旋鎖在 JDK1.4.2 中就已經(jīng)引入，只不過(guò)默認(rèn)是關(guān)閉的，可以使用 -XX：+UseSpinning 參數(shù)來(lái)開啟，在 JDK6 中就已經(jīng)改為默認(rèn)開啟了。自旋等待不能代替阻塞，且先不說(shuō)對(duì)處理器數(shù)量的要求，自旋等待本身雖然避免了線程切換的開銷，但它是要占用處理器時(shí)間的，所以如果鎖被占用的時(shí)間很短，自旋等待的效果就會(huì)非常好，反之如果鎖被占用的時(shí)間很長(zhǎng)，那么自旋的線程只會(huì)白白消耗處理器資源，而不會(huì)做任何有價(jià)值的工作，這就會(huì)帶來(lái)性能的浪費(fèi)。因此自旋等待的時(shí)間必須有一定的限度，如果自旋超過(guò)了限定的次數(shù)仍然沒(méi)有成功獲得鎖，就應(yīng)當(dāng)使用傳統(tǒng)的方式去掛起線程。自旋次數(shù)的默認(rèn)值是十次，用戶也可以使用參數(shù) -XX：PreBlockSpin 來(lái)自行更改。

不過(guò)無(wú)論是默認(rèn)值還是用戶指定的自旋次數(shù)，對(duì)整個(gè) Java 虛擬機(jī)中所有的鎖來(lái)說(shuō)都是相同的。在 JDK6 中對(duì)自旋鎖的優(yōu)化，引入了自適應(yīng)的自旋。自適應(yīng)意味著自旋的時(shí)間不再是固定的了，而是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來(lái)決定的。

如果在同一個(gè)鎖對(duì)象上，自旋等待剛剛成功獲得過(guò)鎖，并且持有鎖的線程正在運(yùn)行中，那么虛擬機(jī)就會(huì)認(rèn)為這次自旋也很有可能再次成功，進(jìn)而允許自旋等待持續(xù)相對(duì)更長(zhǎng)的時(shí)間，比如持續(xù)100次忙循環(huán)。
另一方面，如果對(duì)于某個(gè)鎖，自旋很少成功獲得過(guò)鎖，那在以后要獲取這個(gè)鎖時(shí)將有可能直接省略掉自旋過(guò)程，以避免浪費(fèi)處理器資源。

有了自適應(yīng)自旋，隨著程序運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)及性能監(jiān)控信息的不斷完善，虛擬機(jī)對(duì)程序鎖的狀況預(yù)測(cè)就會(huì)越來(lái)越精準(zhǔn)，虛擬機(jī)就會(huì)變得越來(lái)越“聰明”了。

鎖消除

鎖消除是指虛擬機(jī)即時(shí)編譯器在運(yùn)行時(shí)，對(duì)一些代碼要求同步，但是被檢測(cè)到不可能存在共享數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的鎖進(jìn)行消除。鎖消除的主要判定依據(jù)來(lái)源于逃逸分析的數(shù)據(jù)支持，如果判斷到一段代碼中，在堆上的所有數(shù)據(jù)都不會(huì)逃逸出去被其他線程訪問(wèn)到，那就可以把它們當(dāng)作棧上數(shù)據(jù)對(duì)待，認(rèn)為它們是線程私有的，同步加鎖自然就無(wú)須再進(jìn)行。

也許讀者會(huì)有疑問(wèn)，變量是否逃逸，對(duì)于虛擬機(jī)來(lái)說(shuō)是需要使用復(fù)雜的過(guò)程間分析才能確定的，但是程序員自己應(yīng)該是很清楚的，怎么會(huì)在明知道不存在數(shù)據(jù)爭(zhēng)用的情況下還要求同步呢？這個(gè)問(wèn)題的答案是：有許多同步措施并不是程序員自己加入的，同步的代碼在 Java 程序中出現(xiàn)的頻繁程度也許超過(guò)了大部分讀者的想象。我們來(lái)看看如代碼清單13-6所示的例子，這段非常簡(jiǎn)單的代碼僅僅是輸出三個(gè)字符串相加的結(jié)果，無(wú)論是源代碼字面上，還是程序語(yǔ)義上都沒(méi)有進(jìn)行同步。

// 代碼清單13-6 一段看起來(lái)沒(méi)有同步的代碼
public String concatString(String s1, String s2, String s3) {
    return s1 + s2 + s3;
}

我們也知道，由于 String 是一個(gè)不可變的類，對(duì)字符串的連接操作總是通過(guò)生成新的 String 對(duì)象來(lái)進(jìn)行的，因此 Javac 編譯器會(huì)對(duì) String 連接做自動(dòng)優(yōu)化。

在 JDK5 之前，字符串加法會(huì)轉(zhuǎn)化為 StringBuffer 對(duì)象的連續(xù) append() 操作。即代碼清單13-6所示的代碼可能會(huì)變成代碼清單13-7所示的樣子。
在 JDK5 及以后的版本中，會(huì)轉(zhuǎn)化為 StringBuilder 對(duì)象的連續(xù) append() 操作。

// 代碼清單13-7 Javac轉(zhuǎn)化后的字符串連接操作
public String concatString(String s1, String s2, String s3) {
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(s1);
    sb.append(s2);
    sb.append(s3);
    return sb.toString();
}

現(xiàn)在大家還認(rèn)為這段代碼沒(méi)有涉及同步嗎？每個(gè) StringBuffer.append() 方法中都有一個(gè)同步塊，鎖就是 sb 對(duì)象。虛擬機(jī)觀察 sb 變量，經(jīng)過(guò)逃逸分析后會(huì)發(fā)現(xiàn)它的動(dòng)態(tài)作用域被限制在 concatString() 方法內(nèi)部。也就是 sb 的所有引用都永遠(yuǎn)不會(huì)逃逸到 concatString() 方法之外，其他線程無(wú)法訪問(wèn)到它，所以這里雖然有鎖，但是可以被安全地消除掉。在解釋執(zhí)行時(shí)這里仍然會(huì)加鎖，但在經(jīng)過(guò)服務(wù)端編譯器的即時(shí)編譯之后，這段代碼就會(huì)忽略所有的同步措施而直接執(zhí)行。

鎖粗化

鎖粗化指的是：如果虛擬機(jī)探測(cè)到有一串零碎的操作都對(duì)同一個(gè)對(duì)象加鎖，那么虛擬機(jī)將會(huì)把加鎖同步的范圍擴(kuò)展（粗化）到整個(gè)操作序列的外部。

原則上，我們?cè)诰帉懘a的時(shí)候，總是推薦將同步塊的作用范圍限制得盡量?。褐辉诠蚕頂?shù)據(jù)的實(shí)際作用域中才進(jìn)行同步，這樣是為了使得需要同步的操作數(shù)量盡可能變少，即使存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，等待鎖的線程也能盡可能快地拿到鎖。

大多數(shù)情況下，上面的原則都是正確的，但是如果一系列的連續(xù)操作都對(duì)同一個(gè)對(duì)象反復(fù)加鎖和解鎖，甚至加鎖操作是出現(xiàn)在循環(huán)體之中的，那即使沒(méi)有線程競(jìng)爭(zhēng)，頻繁地進(jìn)行互斥同步操作也會(huì)導(dǎo)致不必要的性能損耗。

代碼清單13-7所示連續(xù)的 append() 方法就屬于這類情況。如果虛擬機(jī)探測(cè)到有這樣一串零碎的操作都對(duì)同一個(gè)對(duì)象加鎖，將會(huì)把加鎖同步的范圍擴(kuò)展（粗化）到整個(gè)操作序列的外部，以代碼清單13-7為例，就是擴(kuò)展到第一個(gè) append() 操作之前直至最后一個(gè) append() 操作之后，這樣只需要加鎖一次就可以了。

輕量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖的設(shè)計(jì)初衷是在沒(méi)有多線程競(jìng)爭(zhēng)的情況下，通過(guò)使用 CAS（Compare And Swap）操作來(lái)進(jìn)行線程同步，減少傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能消耗。

輕量級(jí)鎖可以提高帶有同步但無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的程序性能，但它是一個(gè)帶有效益權(quán)衡（Trade Off）性質(zhì)的優(yōu)化，也就是說(shuō)它并非總是對(duì)程序運(yùn)行有利。輕量級(jí)鎖能提升程序同步性能的依據(jù)是 “對(duì)于絕大部分的鎖，在整個(gè)同步周期內(nèi)都是不存在競(jìng)爭(zhēng)的” 這一經(jīng)驗(yàn)法則。

如果沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)，輕量級(jí)鎖便通過(guò) CAS 操作成功避免了使用互斥量的開銷；
但如果確實(shí)存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，除了互斥量的本身開銷外，還額外發(fā)生了 CAS 操作的開銷。

因此在有競(jìng)爭(zhēng)的情況下，輕量級(jí)鎖反而會(huì)比傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖更慢。

輕量級(jí)鎖是 JDK6 時(shí)加入的新型鎖機(jī)制，它名字中的 “輕量級(jí)” 是相對(duì)于使用操作系統(tǒng)互斥量來(lái)實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)鎖而言的，因此傳統(tǒng)的鎖機(jī)制就被稱為“重量級(jí)”鎖。不過(guò)，需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，輕量級(jí)鎖并不是用來(lái)代替重量級(jí)鎖的，輕量級(jí)鎖設(shè)計(jì)的初衷是在沒(méi)有多線程競(jìng)爭(zhēng)的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能消耗。

Mark Word

要理解輕量級(jí)鎖，以及后面會(huì)講到的偏向鎖的原理和運(yùn)作過(guò)程，必須要對(duì) HotSpot 虛擬機(jī)對(duì)象的內(nèi)存布局（尤其是對(duì)象頭部分）有所了解。HotSpot 虛擬機(jī)的對(duì)象頭（Object Header）分為兩部分：

第一部分用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如哈希碼（HashCode）、GC 分代年齡（Generational GC Age）等。這部分?jǐn)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度在 32 位和 64 位的 Java 虛擬機(jī)中分別會(huì)占用 32 個(gè)或 64 個(gè)比特，官方稱它為 “Mark Word”。這部分是實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)鎖和偏向鎖的關(guān)鍵。
另外一部分用于存儲(chǔ)指向方法區(qū)對(duì)象類型數(shù)據(jù)的指針（Class Pointer、類型指針），虛擬機(jī)通過(guò)這個(gè)指針來(lái)確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例。如果是數(shù)組對(duì)象，還會(huì)有一個(gè)額外的部分用于存儲(chǔ)數(shù)組長(zhǎng)度。

由于對(duì)象頭信息是與對(duì)象自身定義的數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)的額外存儲(chǔ)成本，考慮到 Java 虛擬機(jī)的空間使用效率，Mark Word 被設(shè)計(jì)成一個(gè)非固定的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便在極小的空間內(nèi)存儲(chǔ)盡量多的信息。它會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間。例如在 32 位的 HotSpot 虛擬機(jī)中：

對(duì)象未被鎖定的狀態(tài)下，Mark Word 的 32 個(gè)比特空間里的 25 個(gè)比特將用于存儲(chǔ)對(duì)象哈希碼，4 個(gè)比特用于存儲(chǔ)對(duì)象分代年齡，2 個(gè)比特用于存儲(chǔ)鎖標(biāo)志位，還有 1 個(gè)比特固定為 0（這表示未進(jìn)入偏向模式）。
對(duì)象除了未被鎖定的正常狀態(tài)外，還有輕量級(jí)鎖定、重量級(jí)鎖定、GC 標(biāo)記、可偏向等幾種不同狀態(tài)，這些狀態(tài)下對(duì)象頭的存儲(chǔ)內(nèi)容如下表所示。

工作過(guò)程

我們簡(jiǎn)單回顧了對(duì)象的內(nèi)存布局后，接下來(lái)就可以介紹輕量級(jí)鎖的工作過(guò)程了：在代碼即將進(jìn)入同步塊的時(shí)候，如果此同步對(duì)象沒(méi)有被鎖定（鎖標(biāo)志位為“01”狀態(tài)），虛擬機(jī)首先將在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個(gè)名為鎖記錄（Lock Record）的空間，用于存儲(chǔ)鎖對(duì)象目前的 Mark Word 的拷貝（官方為這份拷貝加了一個(gè) Displaced 前綴，即 Displaced Mark Word），這時(shí)候線程堆棧與對(duì)象頭的狀態(tài)如圖13-3所示。

圖13-3輕量級(jí)鎖 CAS 操作之前堆棧與對(duì)象的狀態(tài)

然后，虛擬機(jī)將使用 CAS 操作嘗試把對(duì)象的 Mark Word 更新為指向鎖記錄（Lock Record）的指針。

如果這個(gè)更新操作成功了，即代表該線程擁有了這個(gè)對(duì)象的鎖，并且對(duì)象 Mark Word 的鎖標(biāo)志位（Mark Word 的最后兩個(gè)比特）將轉(zhuǎn)變?yōu)?“00”，表示此對(duì)象處于輕量級(jí)鎖定狀態(tài)。這時(shí)候線程堆棧與對(duì)象頭的狀態(tài)如圖13-4所示。
如果這個(gè)更新操作失敗了，那就意味著至少存在一條線程與當(dāng)前線程競(jìng)爭(zhēng)獲取該對(duì)象的鎖。虛擬機(jī)首先會(huì)檢查對(duì)象的 Mark Word 是否指向當(dāng)前線程的棧幀，如果是，說(shuō)明當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了這個(gè)對(duì)象的鎖，那直接進(jìn)入同步塊繼續(xù)執(zhí)行就可以了，否則（對(duì)象的 Mark Word 不是指向當(dāng)前線程的棧幀）就說(shuō)明這個(gè)鎖對(duì)象已經(jīng)被其他線程搶占了。如果出現(xiàn)兩條以上的線程爭(zhēng)用同一個(gè)鎖的情況，那輕量級(jí)鎖就不再有效，必須要膨脹為重量級(jí)鎖，鎖標(biāo)志的狀態(tài)值變?yōu)?ldquo;10”，此時(shí) Mark Word 中存儲(chǔ)的就是指向重量級(jí)鎖（互斥量）的指針，后面等待鎖的線程也必須進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

圖13-4輕量級(jí)鎖 CAS 操作之后堆棧與對(duì)象的狀態(tài)

上面描述的是輕量級(jí)鎖的加鎖過(guò)程，它的解鎖過(guò)程也同樣是通過(guò) CAS 操作來(lái)進(jìn)行的，如果對(duì)象的 Mark Word 仍然指向線程的鎖記錄，那就用 CAS 操作把對(duì)象當(dāng)前的 Mark Word 和線程中復(fù)制的 Displaced Mark Word 替換回來(lái)。

假如能夠替換成功，那整個(gè)同步過(guò)程就順利完成了；
如果替換失敗，則說(shuō)明有其他線程嘗試過(guò)獲取該鎖，就要在釋放鎖的同時(shí)，喚醒被掛起的線程。

輕量級(jí)鎖能提升程序同步性能的依據(jù)是 “對(duì)于絕大部分的鎖，在整個(gè)同步周期內(nèi)都是不存在競(jìng)爭(zhēng)的” 這一經(jīng)驗(yàn)法則。

如果沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)，輕量級(jí)鎖便通過(guò) CAS 操作成功避免了使用互斥量的開銷；
但如果確實(shí)存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，除了互斥量的本身開銷外，還額外發(fā)生了 CAS 操作的開銷。

因此在有競(jìng)爭(zhēng)的情況下，輕量級(jí)鎖反而會(huì)比傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖更慢。

偏向鎖

偏向鎖的目的是：消除數(shù)據(jù)在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)情況下的同步原語(yǔ)，進(jìn)一步提高程序的運(yùn)行性能。

偏向鎖中的“偏”的意思是這個(gè)鎖會(huì)偏向于第一個(gè)獲得它的線程。如果虛擬機(jī)啟用了偏向鎖，那么當(dāng)鎖對(duì)象第一次被線程獲取的時(shí)候，虛擬機(jī)將會(huì)把對(duì)象頭中的標(biāo)志位設(shè)置為 “01”、把偏向模式設(shè)置為 “1”，表示進(jìn)入偏向模式。同時(shí)使用 CAS 操作把獲取到這個(gè)鎖的線程的 ID 記錄在對(duì)象的 Mark Word 之中。如果 CAS 操作成功，持有偏向鎖的線程以后每次進(jìn)入這個(gè)鎖相關(guān)的同步塊時(shí)，虛擬機(jī)都可以不再進(jìn)行任何同步操作（例如加鎖、解鎖及對(duì) Mark Word 的更新操作等）。

偏向鎖可以提高帶有同步但無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的程序性能，但它同樣是一個(gè)帶有效益權(quán)衡（Trade Off）性質(zhì)的優(yōu)化，也就是說(shuō)它并非總是對(duì)程序運(yùn)行有利。如果程序中大多數(shù)的鎖都總是被多個(gè)不同的線程訪問(wèn)，那偏向模式就是多余的。

偏向鎖也是 JDK6 中引入的一項(xiàng)鎖優(yōu)化措施，它的目的是消除數(shù)據(jù)在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)情況下的同步原語(yǔ)，進(jìn)一步提高程序的運(yùn)行性能。如果說(shuō)輕量級(jí)鎖是在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的情況下使用 CAS 操作去消除同步使用的互斥量，那偏向鎖就是在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的情況下把整個(gè)同步都消除掉，連 CAS 操作都不去做了。

偏向鎖中的“偏”，就是偏心的“偏”、偏袒的“偏”。偏向鎖中的“偏”的意思是這個(gè)鎖會(huì)偏向于第一個(gè)獲得它的線程，如果在接下來(lái)的執(zhí)行過(guò)程中，該鎖一直沒(méi)有被其他的線程獲取，則持有偏向鎖的線程將永遠(yuǎn)不需要再進(jìn)行同步。

如果讀者理解了前面輕量級(jí)鎖中關(guān)于對(duì)象頭 Mark Word 與線程之間的操作過(guò)程，那偏向鎖的原理就會(huì)很容易理解。

假設(shè)當(dāng)前虛擬機(jī)啟用了偏向鎖（啟用參數(shù) -XX：+UseBiased Locking，這是自 JDK6 起 HotSpot 虛擬機(jī)的默認(rèn)值），那么當(dāng)鎖對(duì)象第一次被線程獲取的時(shí)候，虛擬機(jī)將會(huì)把對(duì)象頭中的標(biāo)志位設(shè)置為 “01”、把偏向模式設(shè)置為 “1”，表示進(jìn)入偏向模式。同時(shí)使用 CAS 操作把獲取到這個(gè)鎖的線程的 ID 記錄在對(duì)象的 Mark Word 之中。如果 CAS 操作成功，持有偏向鎖的線程以后每次進(jìn)入這個(gè)鎖相關(guān)的同步塊時(shí)，虛擬機(jī)都可以不再進(jìn)行任何同步操作（例如加鎖、解鎖及對(duì) Mark Word 的更新操作等）。

一旦出現(xiàn)另外一個(gè)線程去嘗試獲取這個(gè)鎖的情況，偏向模式就馬上宣告結(jié)束。根據(jù)鎖對(duì)象目前是否處于被鎖定的狀態(tài)決定是否撤銷偏向（偏向模式設(shè)置為 “0”），撤銷后標(biāo)志位恢復(fù)到未鎖定（標(biāo)志位為 “01”）或輕量級(jí)鎖定（標(biāo)志位為 “00”）的狀態(tài)，后續(xù)的同步操作就按照上面介紹的輕量級(jí)鎖那樣去執(zhí)行。

偏向鎖、輕量級(jí)鎖的狀態(tài)轉(zhuǎn)換及對(duì)象 Mark Word 的關(guān)系如圖13-5所示。

圖13-5偏向鎖、輕量級(jí)鎖的狀態(tài)轉(zhuǎn)換及及對(duì)象 Mark Word 的關(guān)系

細(xì)心的讀者看到這里可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)對(duì)象進(jìn)入偏向狀態(tài)的時(shí)候，Mark Word 大部分的空間（23個(gè)比特）都用于存儲(chǔ)持有鎖的線程 ID 了，這部分空間占用了原有存儲(chǔ)對(duì)象哈希碼的位置，那原來(lái)對(duì)象的哈希碼怎么辦呢？

在 Java 語(yǔ)言里面一個(gè)對(duì)象如果計(jì)算過(guò)哈希碼，就應(yīng)該一直保持該值不變（強(qiáng)烈推薦但不強(qiáng)制，因?yàn)橛脩艨梢灾剌dhashCode() 方法按自己的意愿返回哈希碼），否則很多依賴對(duì)象哈希碼的 API 都可能存在出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)。而作為絕大多數(shù)對(duì)象哈希碼來(lái)源的 Object::hashCode() 方法，返回的是對(duì)象的一致性哈希碼（Identity Hash Code），這個(gè)值是能強(qiáng)制保證不變的，它通過(guò)在對(duì)象頭中存儲(chǔ)計(jì)算結(jié)果來(lái)保證第一次計(jì)算之后，再次調(diào)用該方法取到的哈希碼值永遠(yuǎn)不會(huì)再發(fā)生改變。因此，當(dāng)一個(gè)對(duì)象已經(jīng)計(jì)算過(guò)一致性哈希碼后，它就再也無(wú)法進(jìn)入偏向鎖狀態(tài)了；而當(dāng)一個(gè)對(duì)象當(dāng)前正處于偏向鎖狀態(tài)，又收到需要計(jì)算其一致性哈希碼請(qǐng)求時(shí)，它的偏向狀態(tài)會(huì)被立即撤銷，并且鎖會(huì)膨脹為重量級(jí)鎖。在重量級(jí)鎖的實(shí)現(xiàn)中，對(duì)象頭指向了重量級(jí)鎖的位置，代表重量級(jí)鎖的 ObjectMonitor 類里有字段可以記錄非加鎖狀態(tài)（標(biāo)志位為“01”）下的Mark Word，其中自然可以存儲(chǔ)原來(lái)的哈希碼。

注意，這里說(shuō)的計(jì)算請(qǐng)求應(yīng)來(lái)自于對(duì)Object::hashCode()或者System::identityHashCode(Object)方法的調(diào)用，如果重寫了對(duì)象的hashCode()方法，計(jì)算哈希碼時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生這里所說(shuō)的請(qǐng)求。

偏向鎖可以提高帶有同步但無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的程序性能，但它同樣是一個(gè)帶有效益權(quán)衡（Trade Off）性質(zhì)的優(yōu)化，也就是說(shuō)它并非總是對(duì)程序運(yùn)行有利。如果程序中大多數(shù)的鎖都總是被多個(gè)不同的線程訪問(wèn)，那偏向模式就是多余的。在具體問(wèn)題具體分析的前提下，有時(shí)候使用參數(shù)-XX：-UseBiasedLocking 來(lái)禁止偏向鎖優(yōu)化反而可以提升性能。

完整的過(guò)程

假設(shè)當(dāng)前虛擬機(jī)啟用了偏向鎖，那么當(dāng)鎖對(duì)象第一次被線程獲取的時(shí)候，虛擬機(jī)將會(huì)把對(duì)象頭中的標(biāo)志位設(shè)置為 “01”、把偏向模式設(shè)置為 “1”，表示進(jìn)入偏向模式。同時(shí)使用 CAS 操作把獲取到這個(gè)鎖的線程的 ID 記錄在對(duì)象的 Mark Word 之中。如果 CAS 操作成功，持有偏向鎖的線程以后每次進(jìn)入這個(gè)鎖相關(guān)的同步塊時(shí)，虛擬機(jī)都可以不再進(jìn)行任何同步操作（例如加鎖、解鎖及對(duì) Mark Word 的更新操作等）。

如果鎖對(duì)象目前處于偏向模式，那么一旦出現(xiàn)另外一個(gè)線程去嘗試獲取這個(gè)鎖的情況，偏向模式就馬上宣告結(jié)束。根據(jù)鎖對(duì)象目前是否處于被鎖定的狀態(tài)決定撤銷偏向后，鎖對(duì)象處于什么狀態(tài)。

如果鎖對(duì)象目前處于被鎖定的狀態(tài)，那么一旦出現(xiàn)另外一個(gè)線程去嘗試獲取這個(gè)鎖的情況，偏向模式就馬上宣告結(jié)束，鎖對(duì)象轉(zhuǎn)換到輕量級(jí)鎖定狀態(tài)，后續(xù)的同步操作就按照輕量級(jí)鎖那樣去執(zhí)行。
如果鎖對(duì)象目前處于未被鎖定的狀態(tài)，那么一旦出現(xiàn)另外一個(gè)線程去嘗試獲取這個(gè)鎖的情況，偏向模式就馬上宣告結(jié)束，鎖對(duì)象轉(zhuǎn)換到未被鎖定、不可偏向狀態(tài)。

對(duì)象轉(zhuǎn)換到輕量級(jí)鎖定狀態(tài)。虛擬機(jī)首先將在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個(gè)名為鎖記錄（Lock Record）的空間，用于存儲(chǔ)鎖對(duì)象目前的 Mark Word 的拷貝。然后，虛擬機(jī)將使用 CAS 操作嘗試把對(duì)象的 Mark Word 更新為指向鎖記錄（Lock Record）的指針。

如果這個(gè)更新操作成功了，即代表該線程擁有了這個(gè)對(duì)象的鎖，并且對(duì)象 Mark Word 的鎖標(biāo)志位將轉(zhuǎn)變?yōu)?“00”，表示此對(duì)象處于輕量級(jí)鎖定狀態(tài)。
如果這個(gè)更新操作失敗了，那就意味著至少存在一條線程與當(dāng)前線程競(jìng)爭(zhēng)獲取該對(duì)象的鎖。虛擬機(jī)首先會(huì)檢查對(duì)象的 Mark Word 是否指向當(dāng)前線程的棧幀：
- 如果是（對(duì)象的 Mark Word 指向當(dāng)前線程的棧幀），說(shuō)明當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了這個(gè)對(duì)象的鎖，那直接進(jìn)入同步塊繼續(xù)執(zhí)行就可以了；
- 否則（對(duì)象的 Mark Word 不是指向當(dāng)前線程的棧幀）就說(shuō)明這個(gè)鎖對(duì)象已經(jīng)被其他線程搶占了，那么當(dāng)前線程 B 執(zhí)行一個(gè)忙循環(huán)（自旋），不放棄處理器的執(zhí)行時(shí)間，看看持有鎖的線程 A 是否會(huì)很快就釋放鎖。
  - 如果持有鎖的線程 A 很快就釋放了鎖，那么當(dāng)前線程 B 成功獲取鎖。
  - 如果線程 B 自旋超過(guò)了限定的次數(shù)仍然沒(méi)有成功獲得鎖，那輕量級(jí)鎖就不再有效，必須要膨脹為重量級(jí)鎖，鎖標(biāo)志的狀態(tài)值變?yōu)?ldquo;10”，此時(shí) Mark Word 中存儲(chǔ)的就是指向重量級(jí)鎖（互斥量）的指針。當(dāng)前線程繼續(xù)等待鎖，并進(jìn)入阻塞狀態(tài)。持有鎖的線程 A 釋放鎖的同時(shí)，喚醒被掛起的線程。被喚醒的線程就會(huì)進(jìn)行新一輪的競(jìng)爭(zhēng)，嘗試獲取這個(gè)鎖。