一文详解 Java 的几把 JVM 级锁( 三 )_作者|楚昭在计算机行业有一个定律叫\

在计算机行业有一个定律叫\"摩尔定律\" ，在此定律下，计算机的性能突飞猛进，而且价格也随之越来越便宜， CPU 从单核到了多核，缓存性能也得到了很大提升，尤其是多核 CPU 技术的到来，计算机同一时刻可以处理多个任务。在硬件层面的发展带来的效率极大提升中，软件层面的多线程编程已经成为必然趋势，然而多线程编程就会引入数据安全性问题，有矛必有盾，于是发明了“锁”来解决线程安全问题。在这篇文章中，总结了 Java 中几把经典的 JVM 级别的锁。

synchronized

synchronized 关键字是一把经典的锁，也是我们平时用得最多的。在 JDK1.6 之前， syncronized 是一把重量级的锁，不过随着 JDK 的升级，也在对它进行不断的优化，如今它变得不那么重了，甚至在某些场景下，它的性能反而优于轻量级锁。在加了 syncronized 关键字的方法、代码块中，一次只允许一个线程进入特定代码段，从而避免多线程同时修改同一数据。 synchronized 锁有如下几个特点：有锁升级过程在 JDK1.5 (含)之前， synchronized 的底层实现是重量级的，所以之前一致称呼它为\"重量级锁\" ，在 JDK1.5 之后，对 synchronized 进行了各种优化，它变得不那么重了，实现原理就是锁升级的过程。我们先聊聊 1.5 之后的 synchronized 实现原理是怎样的。说到 synchronized 加锁原理，就不得不先说 Java 对象在内存中的布局， Java 对象内存布局如下: 如上图所示，在创建一个对象后，在 JVM 虚拟机( HotSpot )中，对象在 Java 内存中的存储布局可分为三块: 对象头区域此处存储的信息包括两部分： 1、对象自身的运行时数据( MarkWord ) 存储 hashCode、GC 分代年龄、锁类型标记、偏向锁线程 ID 、 CAS 锁指向线程 LockRecord 的指针等， synconized 锁的机制与这个部分( markwork )密切相关，用 markword 中最低的三位代表锁的状态，其中一位是偏向锁位，另外两位是普通锁位。 2、对象类型指针( Class Pointer ) 对象指向它的类元数据的指针、 JVM 就是通过它来确定是哪个 Class 的实例。实例数据区域此处存储的是对象真正有效的信息，比如对象中所有字段的内容对齐填充区域 JVM 的实现 HostSpot 规定对象的起始地址必须是 8 字节的整数倍，换句话来说，现在 64 位的 OS 往外读取数据的时候一次性读取 64bit 整数倍的数据，也就是 8 个字节，所以 HotSpot 为了高效读取对象，就做了\"对齐\" ，如果一个对象实际占的内存大小不是 8byte 的整数倍时，就\"补位\"到 8byte 的整数倍。所以对齐填充区域的大小不是固定的。当线程进入到 synchronized 处尝试获取该锁时， synchronized 锁升级流程如下：如上图所示， synchronized 锁升级的顺序为：偏向锁-轻量级锁-重量级锁，每一步触发锁升级的情况如下：偏向锁在 JDK1.8 中，其实默认是轻量级锁，但如果设定了 -XX:BiasedLockingStartupDelay = 0 ，那在对一个 Object 做 syncronized 的时候，会立即上一把偏向锁。当处于偏向锁状态时， markwork 会记录当前线程 ID 。升级到轻量级锁当下一个线程参与到偏向锁竞争时，会先判断 markword 中保存的线程 ID 是否与这个线程 ID 相等，如果不相等，会立即撤销偏向锁，升级为轻量级锁。每个线程在自己的线程栈中生成一个 LockRecord ( LR ) ，然后每个线程通过 CAS (自旋)的操作将锁对象头中的 markwork 设置为指向自己的 LR 的指针，哪个线程设置成功，就意味着获得锁。关于 synchronized 中此时执行的 CAS 操作是通过 native 的调用 HotSpot 中 bytecodeInterpreter.cpp 文件 C++ 代码实现的，有兴趣的可以继续深挖。升级到重量级锁如果锁竞争加剧(如线程自旋次数或者自旋的线程数超过某阈值， JDK1.6 之后，由 JVM 自己控制该规则) ，就会升级为重量级锁。此时就会向操作系统申请资源，线程挂起，进入到操作系统内核态的等待队列中，等待操作系统调度，然后映射回用户态。在重量级锁中，由于需要做内核态到用户态的转换，而这个过程中需要消耗较多时间，也就是\"重\"的原因之一。可重入 synchronized 拥有强制原子性的内部锁机制，是一把可重入锁。因此，在一个线程使用 synchronized 方法时调用该对象另一个 synchronized 方法，即一个线程得到一个对象锁后再次请求该对象锁，是永远可以拿到锁的。在 Java 中线程获得对象锁的操作是以线程为单位的，而不是以调用为单位的。 synchronized 锁的对象头的 markwork 中会记录该锁的线程持有者和计数器，当一个线程请求成功后， JVM 会记下持有锁的线程，并将计数器计为1 。此时其他线程请求该锁，则必须等待。而该持有锁的线程如果再次请求这个锁，就可以再次拿到这个锁，同时计数器会递增。当线程退出一个synchronized 方法/块时，计数器会递减，如果计数器为 0 则释放该锁锁。悲观锁(互斥锁、排他锁) synchronized 是一把悲观锁(独占锁) ，当前线程如果获取到锁，会导致其它所有需要锁该的线程等待，一直等待持有锁的线程释放锁才继续进行锁的争抢。