Java并发的底层实现原理（part 2）

1. 对象头

synchronized 用的锁是存在Java对象头里的。

长度	内容	说明
32 bit/ 64 bit	Mark word	存储对象的hashcode或锁信息等
32 bit/ 64 bit	Class Metadata Address	存储到对象类型的指针
32 bit/ 64 bit	Array length	数组长度（如果对象为数组）

Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的 HashCode、分代年龄和锁标记位

32位 JVM 的 Mark Word 的默认存储结构如下：

锁状态	25 bit	4 bit	1 bit 是否为偏向锁	2 bit 锁标志位
无锁状态	hashcode	分代年龄	0	01

注意：Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化

变化如下：

2. 锁的升级

锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态

• 锁的膨胀方向从左到右。
• 会随着竞争情况逐渐升级，但不能降级。

2.1 偏向锁

当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。

2.1.1 偏向锁的撤销

偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有正在执行的字节码）

如下图，线程1演示了偏向锁初始化的流程，线程2演示了偏向锁撤销的流程。

撤销过程描述：

1. 暂停拥有偏向锁的线程，检查持有偏向锁的线程是否活着；
2. 线程不处于活动状态，对象头设置成无锁状态；否则进入 3.
3. 遍历偏向对象的锁记录栈中的锁记录和对象头的Mark Word，要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁
4. 唤醒暂停的线程

注意：由 表2.4 可以看到偏向锁，有一个Epoch标记，撤销一次Epoch自加1，如果线程撤销次数大于一个给定值（50），则会自动膨胀为轻量级锁

2.1.2 关闭偏向锁的命令

• -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 ：关闭启动延迟
• -XX:-UseBiasedLocking=false：设置false，会使程序自动进入轻量级锁

2.2 轻量级锁

2.2.1 加锁

首先，JVM 会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。

使用 CAS操作，将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针：

• 成功：当前线程获得锁
• 失败：线程便使用自旋来获取锁（当自旋次数大于一个值时，膨胀为重量级锁）

2.2.2 解锁

解锁时，会使用原子的 CAS 操作将 Displaced Mark Word 替换回到对象头：

• 成功：没有竞争发生
• 失败：锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁

下图是两个线程同时争夺锁，导致锁膨胀的流程图。

3. 锁的优缺点对比

具体见下表

锁	优点	缺点	使用场景
偏向锁	加锁解锁不需要额外操作	如果线程存在锁竞争，会导致额外的锁撤销的消耗	只有一个线程访问同步块
轻量级锁	竞争线程不会阻塞，提高程序响应	始终得不到线程，自旋会导致CPU的额外消耗	追求响应时间 同步块执行速度很快
重量级锁	线程竞争不自旋	线程阻塞，响应时间长	追求吞吐量 同步块执行时间长

next: 原子操作的实现原理