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Synchronized锁升级之无锁和偏向锁

article 2025/3/9 23:01:12

为了优化synchronized锁的效率，在JDK1.6中，HotsPot虚拟机开发团队提出了锁升级的概念，包括偏向锁、轻量级锁、重量级锁，锁的升级值的是无锁态 >> 偏向锁 >> 轻量级锁 >> 重量级锁

synchronized同步锁相关信息保存在锁对象的对象同中的Mark Word中，锁升级功能主要是依赖Mark Word中锁的标准为何是否偏向锁来实现的
在这里插入图片描述

从上图我们可以看到，无锁态对应的锁标志位位 01，是否偏向锁标志位 0，下面通过两个简单的Java case来演示无锁态和轻量级锁

因为要查看代码运行时的内存布局分析，所以在构建的maven工程中需要加入如下依赖

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.9</version>
</dependency>

1.无锁态

下面用一段代码来演示什么是无锁态

Java code

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Object objLock = new Object();
        // 需要注意，只有调用了hashCode()，对象头中的MarkWord才会保存对应的hashCode值，否则全部是0
        System.out.println("10进制: " + objLock.hashCode());
        System.out.println("2进制: " + Integer.toBinaryString(objLock.hashCode()));
        System.out.println("16进制: " + Integer.toHexString(objLock.hashCode()));
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objLock).toPrintable());
    }
}

代码运行时输出的结果
分析

Mark Word对象头共站8个字符，共64位，也就是上图中的 1 ~ 8，从后往前拼起来

00000000 00000000 00000000 01100111 01110011 00100111 10110110 00000001

Mark Word在64位JVM中内部结构中

红色字体部分：25位，不使用
蓝色字体部分：31位，表示对象的hashCode（可以看到与代码输出结构中的二进制hashCode是一样的）
橙色字体部分：1位，不使用
绿色字体部分：4位，表示对象的分代年龄（对象的最大分代年龄是15，占用的四个字节的最大是 1111 ，将其换成10进制即是 15）
紫色字体部分：1位，偏向锁标准为（0:不是，1:是）
黄色字体部分：2位，锁的标志位，按照上图中的这里是无锁态（001无锁态，101偏向锁，000轻量级锁，010重量级锁，011GC标识）

2.偏向锁

注意事项

偏向锁的启用时机，偏向锁在程序运行时需要进行 4s 的加载，如果程序在运行时，线程还没有去访问锁前程序的运行时间已经超过了4s，那么此时这把锁将会从无锁态升级到偏向锁

2.1.偏向锁的原理

在偏向锁第一次被线程拥有的时候，在偏向锁的Mark Word中，有一块区域用来记录偏向锁的ID，如下图所示
偏向锁的好处是什么？
1. 假设现在的锁对象已经是一个偏向锁，偏向锁它会偏向于第一个获取锁的线程，并且在锁对象的Mark Word中会将该线程的线程ID保存起来，当该线程再来访问锁的时候，会先判断当前访问的线程ID是否是Mark Word中记录的线程ID，如果是将会不进行加锁，该线程直接执行同步块中的代码，这样省去了CAS去更新对象头的操作，提升了锁的性能
偏向锁再次进入同步代码块，如果保证不需要再次加锁？

2.2.偏向锁的撤销

注意事项

偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动释放偏向锁

在大部分情况下，锁都是被同一个线程获取到的，持有偏向锁的线程不会主动释放锁。那么大部分情况下不会涉及到偏向锁的撤销，当有另外的线程尝试竞争偏向锁的时候，这个时候才会涉及偏向锁的撤销流程

暂时无法在飞书文档外展示此内容

2.3.Java case

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 在这里sleep 5s，等待偏向锁加载成功
        Thread.sleep(6000);
        Object objLock = new Object();
        synchronized (objLock){
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objLock).toPrintable());
        }
    }
}