Java中的锁（锁分类、对象头、锁膨胀过程、自旋锁、偏向锁、轻量级锁及锁粗化）

锁分类

对象头

对象头内存布局

使用jol查看对象头内存布局（查看锁标志时，注意大端存储和小端存储）
引入依赖

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.14</version>
    <scope>provided</scope>
</dependency>

测试代码

public class StudyApplication {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        JolTest obj1 = new JolTest();
        // 无锁打印
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj1).toPrintable());

        // HotSpot 虚拟机在启动后有个 4s 的延迟才会对每个新建的对象开启偏向锁
        //线程sleep 5s，确保虚拟机中偏向锁开启
        Thread.sleep(5000);
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                JolTest obj2 = new JolTest();
                synchronized (obj2){
                    //当前锁对象第一次被线程获取
                    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj2).toPrintable());
                }
            }
        }).start();

        //轻量级锁
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (obj1){
                    //当前锁对象第一次被线程获取
                    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj1).toPrintable());
                }
            }
        }).start();

        //重量级锁
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (obj1){
                    //当前锁对象第一次被线程获取
                    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj1).toPrintable());
                }
            }
        }).start();
    }
}

class JolTest{
    int i = 10;
}

测试结果

// 无锁 001
com.java.study.JolTest object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           c3 df 01 f8 (11000011 11011111 00000001 11111000) (-134094909)
     12     4    int JolTest.i                                 10
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

// 偏向锁101
com.java.study.JolTest object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           05 c8 36 37 (00000101 11001000 00110110 00110111) (926337029)
      4     4        (object header)                           a1 7f 00 00 (10100001 01111111 00000000 00000000) (32673)
      8     4        (object header)                           c3 df 01 f8 (11000011 11011111 00000001 11111000) (-134094909)
     12     4    int JolTest.i                                 10
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

// 轻量级锁00
com.java.study.JolTest object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           60 d9 d6 07 (01100000 11011001 11010110 00000111) (131520864)
      4     4        (object header)                           a1 7f 00 00 (10100001 01111111 00000000 00000000) (32673)
      8     4        (object header)                           c3 df 01 f8 (11000011 11011111 00000001 11111000) (-134094909)
     12     4    int JolTest.i                                 10
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

//重量级锁10
com.java.study.JolTest object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           aa 24 1d 39 (10101010 00100100 00011101 00111001) (958211242)
      4     4        (object header)                           a1 7f 00 00 (10100001 01111111 00000000 00000000) (32673)
      8     4        (object header)                           c3 df 01 f8 (11000011 11011111 00000001 11111000) (-134094909)
     12     4    int JolTest.i                                 10
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

锁膨胀的过程

锁优化

锁消除

指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码要求同步，但是对被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。

锁消除判定主要依据来源于逃逸分析的数据支持，如果判断一段代码中，在堆上的所有数据都不会逃逸出去被其他线程访问到，那就可以把它们当作栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无需进行

偏向锁

锁会偏向第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁一直没有被其他线程获取，则持有偏向锁的线程再也不需要进行同步

HotSpot 虚拟机在启动后有个 4s 的延迟才会对每个新建的对象开启偏向锁

启用参数：

-XX：+UseBiased Locking
JDK6后HotSpot默认值

偏向锁和HashCode的联系：

• 当对象已经计算过一致性哈希码后，它就再也无法进入偏向锁状态
• 当一个对象正处于偏向锁状态，又收到计算一致性哈希码请求时，它的偏向锁会被立即撤销，并且锁会膨胀成重量级锁

自旋锁与自适应自旋

自旋锁

让线程执行一个忙循环（自旋），从而让线程等待

启用参数:

• -XX：+UseSpinning JDK6后HotSpot默认值
• -XX：+PreBlockSpin 默认十次

自适应自旋

JDK6中优化，自旋时间不再是固定，而是由前一次在同一个锁上自旋时间及锁的拥有者状态来决定的

• 如果在同一个锁对象，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能成功，进而允许自旋等待持续相对更长的时间，比如持续100次忙循环
• 另一方面，如果对某个锁，自旋很少获得过锁，那在以后获取这个锁时，有可能直接忽略过自旋过程，以避免浪费处理器资源

优缺点

• 优点: 如果能很快获得锁，减少上下文切换
• 缺点: 如果锁被占用时间很长，自旋过程只能白白消耗处理器资源

轻量级锁

在代码即将进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定（锁标志为01状态），虚拟机首先将在当前线程栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用户存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，（官方为这个拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced Mark Word）；

然后虚拟机将使用CAS操作尝试把对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。如果这个更新动作成功了，即代表该线程拥有了这个对象的锁，并且Mark Word的锁标志更新为00，表示处于轻量级锁状态；

如果这个更新操作失败了，那就意味着至少存在一条线程与当前线程竞争获取该对象的锁。虚拟机首先会检查对象的 Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是，说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那直接进入同步块继续执行就可以了，否则就说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。

如果出现两条以上的线程争用同一个锁的情况，那轻量级锁就不再有效，必须要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，此时 Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也必须进入阻塞状态。

上面描述的是轻量级锁的加锁过程，它的解锁过程也同样是通过CAS操作来进行的，如果对象的 Mark Word仍然指向线程的锁记录，那就用CAS操作把对象当前的 Mark Word和线程中复制的 Displaced Mark Word替换回来。假如能够成功替换，那整个同步过程就顺利完成了；如果替换失败，则说明有其他线程尝试过获取该锁，就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

轻量级锁能提升程同步性能的依据是“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”这一经验法则。如果没有竞争，轻量级锁便通过CAS操作成功避免了使用互斥量的开销；但如果确实存在锁竞争，除了互斥量的本身开销外，还额外发生了CAS操作的开销。因此在有竞争的情况下，轻量级锁反而会比传统的重量级锁更慢。

偏向锁、轻量级锁状态转化：

锁粗化

如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁解锁（甚至加锁操作出现在循环体中），即使没有线程竞争，频繁的进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗；所以如果虚拟机探测到有这样一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁同步的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部。

参考：

• 《深入理解Java虚拟机》
• 《Java并发编程的艺术》
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/137849590