Java synchronized偏向鎖的核心原理詳解

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1. 偏向鎖的核心原理

輕量級鎖在沒有競爭時（就自己這個線程），每次重入仍然需要執行 CAS 操作。 Java 6 中引入瞭偏向鎖來做進一步優化：隻有第一次使用 CAS 將線程 ID 設置到對象的 Mark Word 頭，之後發現 這個線程 ID 是自己的就表示沒有競爭，不用重新 CAS。以後隻要不發生競爭，這個對象就歸該線程所有。

public class Main {
    static final Object obj = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(()->{
           m1();
        });
        thread.start();
    }
    public static void m1() {
        synchronized( obj ) {
            // 同步塊 A
            m2();
        }
    }
    public static void m2() {
        synchronized( obj ) {
            // 同步塊 B
            m3();
        }
    }
    public static void m3() {
        synchronized( obj ) {
            //偏向狀態
            // 同步塊 C
        }
    }
}

偏向鎖的核心原理是：如果不存在線程競爭的一個線程獲得瞭鎖，那麼鎖就進入偏向狀態，此時Mark Word的結構變為偏向鎖結構，鎖對象的鎖標志位（lock）被改為01，偏向標志位（biased_lock）被改為1，然後線程的ID記錄在鎖對象的Mark Word中（使用CAS操作完成）。以後該線程獲取鎖時判斷一下線程ID和標志位，就可以直接進入同步塊，連CAS操作都不需要，這樣就省去瞭大量有關鎖申請的操作，從而也就提升瞭程序的性能。

偏向鎖的主要作用是消除無競爭情況下的同步原語，進一步提升程序性能，所以，在沒有鎖競爭的場合，偏向鎖有很好的優化效果。但是，一旦有第二條線程需要競爭鎖，那麼偏向模式立即結束，進入輕量級鎖的狀態。

假如在大部分情況下同步塊是沒有競爭的，那麼可以通過偏向來提高性能。即在無競爭時，之前獲得鎖的線程再次獲得鎖時會判斷偏向鎖的線程ID是否指向自己，如果是，那麼該線程將不用再次獲得鎖，直接就可以進入同步塊；如果未指向當前線程，當前線程就會采用CAS操作將Mark Word中的線程ID設置為當前線程ID，如果CAS操作成功，那麼獲取偏向鎖成功，執行同步代碼塊，如果CAS操作失敗，那麼表示有競爭，搶鎖線程被掛起，撤銷占鎖線程的偏向鎖，然後將偏向鎖膨脹為輕量級鎖。

在這裡插入圖片描述

偏向鎖的加鎖過程為：新線程隻需要判斷內置鎖對象的Mark Word中的線程ID是不是自己的ID，如果是就直接使用這個鎖，而不使用CAS交換；如果不是，比如在第一次獲得此鎖時內置鎖的線程ID為空，就使用CAS交換，新線程將自己的線程ID交換到內置鎖的Mark Word中，如果交換成功，就加鎖成功。

每執行一輪搶占，JVM內部都會比較內置鎖的偏向線程ID與當前線程ID，如果匹配，就表明當前線程已經獲得瞭偏向鎖，當前線程可以快速進入臨界區。所以，偏向鎖的效率是非常高的。總之，偏向鎖是針對一個線程而言的，線程獲得鎖之後就不會再有解鎖等操作瞭，這樣可以省略很多開銷。

偏向鎖的缺點：如果鎖對象時常被多個線程競爭，偏向鎖就是多餘的，並且其撤銷的過程會帶來一些性能開銷。

2. 偏向鎖的撤銷

假如有多個線程來競爭偏向鎖，此對象鎖已經有所偏向，其他的線程發現偏向鎖並不是偏向自己，就說明存在瞭競爭，嘗試撤銷偏向鎖（很可能引入安全點），然後膨脹到輕量級鎖。

偏向鎖撤銷的開銷花費還是挺大的，其大概過程如下：

(1) 在一個安全點停止擁有鎖的線程。

(2) 遍歷線程的棧幀，檢查是否存在鎖記錄。如果存在鎖記錄，就需要清空鎖記錄，使其變成無鎖狀態，並修復鎖記錄指向的Mark Word，清除其線程ID。

(3) 將當前鎖升級成輕量級鎖。

(4) 喚醒當前線程。

所以，如果某些臨界區存在兩個及兩個以上的線程競爭，那麼偏向鎖反而會降低性能。在這種情況下，可以在啟動JVM時就把偏向鎖的默認功能關閉。

撤銷偏向鎖的條件：

(1) 多個線程競爭偏向鎖。

(2) 調用偏向鎖對象的hashcode()方法或者System.identityHashCode()方法計算對象的HashCode之後，將哈希碼放置到Mark Word中，內置鎖變成無鎖狀態，偏向鎖將被撤銷。

3. 偏向鎖的膨脹

如果偏向鎖被占據，一旦有第二個線程爭搶這個對象，因為偏向鎖不會主動釋放，所以第二個線程可以看到內置鎖偏向狀態，這時表明在這個對象鎖上已經存在競爭瞭。JVM檢查原來持有該對象鎖的占有線程是否依然存活，如果掛瞭，就可以將對象變為無鎖狀態，然後進行重新偏向，偏向為搶鎖線程。

如果JVM檢查到原來的線程依然存活，就進一步檢查占有線程的調用堆棧是否通過鎖記錄持有偏向鎖。如果存在鎖記錄，就表明原來的線程還在使用偏向鎖，發生鎖競爭，撤銷原來的偏向鎖，將偏向鎖膨脹（INFLATING）為輕量級鎖。

4. 偏向鎖的好處

經驗表明，其實大部分情況下進入一個同步代碼塊的線程都是同一個線程。這也是JDK會引入偏向鎖的原因。所以，總體來說，使用偏向鎖帶來的好處還是大於偏向鎖撤銷和膨脹所帶來的代價。

總結

本篇文章就到這裡瞭，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關註WalkonNet的更多內容! 

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