2.5　synchronized的鎖類型

根據(jù)前面我們對(duì)同步鎖的理解，實(shí)現(xiàn)同步鎖的方式無(wú)非是多個(gè)線程搶占一個(gè)互斥變量，如果搶占成功則表示獲得了鎖，而沒(méi)有獲得鎖的線程則阻塞等待，直到獲得鎖的線程釋放鎖。

如圖2-12所示，在Mark Word中，我們發(fā)現(xiàn)鎖的類型有偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖，那么這些鎖有什么含義呢？

其實(shí)，在JDK 1.6之前，synchronized只提供了重量級(jí)鎖的機(jī)制，重量級(jí)鎖的本質(zhì)就是我們前面對(duì)于鎖的認(rèn)知，也就是沒(méi)有獲得鎖的線程會(huì)通過(guò)park方法阻塞，接著被獲得鎖的線程喚醒后再次搶占鎖，直到搶占成功。

重量級(jí)鎖依賴于底層操作系統(tǒng)的Mutex Lock來(lái)實(shí)現(xiàn)，而使用Mutex Lock需要把當(dāng)前線程掛起，并從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)來(lái)執(zhí)行，這種切換帶來(lái)的性能開(kāi)銷是非常大的。因此，如何在性能和線程安全性之間做好平衡，就是一個(gè)值得探討的話題了。

在JDK 1.6之后，synchronized做了很多優(yōu)化，其中針對(duì)鎖的類型增加了偏向鎖和輕量級(jí)鎖，這兩種鎖的核心設(shè)計(jì)理念就是如何讓線程在不阻塞的情況下達(dá)到線程安全的目的。

2.5.1　偏向鎖的原理分析

偏向鎖其實(shí)可以認(rèn)為是在沒(méi)有多線程競(jìng)爭(zhēng)的情況下訪問(wèn)synchronized修飾的代碼塊的加鎖場(chǎng)景，也就是在單線程執(zhí)行的情況下。

很多讀者可能會(huì)有疑問(wèn)，沒(méi)有線程競(jìng)爭(zhēng)，那為什么要加鎖呢？實(shí)際上對(duì)程序開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，加鎖是為了防范線程安全性的風(fēng)險(xiǎn)，但是是否有線程競(jìng)爭(zhēng)并不由我們來(lái)控制，而是由應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)決定。假設(shè)這種情況存在，就沒(méi)有必要使用重量級(jí)鎖基于操作系統(tǒng)級(jí)別的Mutex Lock來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖的搶占，這樣顯然很耗費(fèi)性能。

所以偏向鎖的作用就是，線程在沒(méi)有線程競(jìng)爭(zhēng)的情況下去訪問(wèn)synchronized同步代碼塊時(shí)，會(huì)嘗試先通過(guò)偏向鎖來(lái)?yè)屨荚L問(wèn)資格，這個(gè)搶占過(guò)程是基于CAS來(lái)完成的，如果搶占鎖成功，則直接修改對(duì)象頭中的鎖標(biāo)記。其中，偏向鎖標(biāo)記為1，鎖標(biāo)記為01，以及存儲(chǔ)當(dāng)前獲得鎖的線程ID。而偏向的意思就是，如果線程X獲得了偏向鎖，那么當(dāng)線程X后續(xù)再訪問(wèn)這個(gè)同步方法時(shí)，只需要判斷對(duì)象頭中的線程ID和線程X是否相等即可。如果相等，就不需要再次去搶占鎖，直接獲得訪問(wèn)資格即可，其實(shí)現(xiàn)原理如圖2-13所示。

結(jié)合前面關(guān)于對(duì)象頭部分的說(shuō)明及偏向鎖的原理，我們通過(guò)一個(gè)例子來(lái)看一下偏向鎖的實(shí)現(xiàn)。

在上述代碼中，BiasedLockExample演示了針對(duì)example這個(gè)鎖對(duì)象，在加鎖之前和加鎖之后分別打印對(duì)象的內(nèi)存布局的過(guò)程，來(lái)看一下輸出結(jié)果。

從上述輸出結(jié)果中我們發(fā)現(xiàn)：

? 在加鎖之前，對(duì)象頭中的第一個(gè)字節(jié)00000001最后三位為[001]，其中低位的兩位表示鎖標(biāo)記，它的值是[01]，表示當(dāng)前為無(wú)鎖狀態(tài)。

? 在加鎖之后，對(duì)象頭中的第一個(gè)字節(jié)01111000最后三位為[000]，其中低位的兩位是[00]，對(duì)照前面介紹的Mark Word中的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的含義，它表示輕量級(jí)鎖狀態(tài)。

當(dāng)前的程序并不存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，基于前面的理論分析，此處應(yīng)該是獲得偏向鎖，但是為什么變成了輕量級(jí)鎖呢？

原因是，JVM在啟動(dòng)的時(shí)候，有一個(gè)啟動(dòng)參數(shù)-XX:BiasedLockingStartupDelay，這個(gè)參數(shù)表示偏向鎖延遲開(kāi)啟的時(shí)間，默認(rèn)是4秒，也就是說(shuō)在我們運(yùn)行上述程序時(shí)，偏向鎖還未開(kāi)啟，導(dǎo)致最終只能獲得輕量級(jí)鎖。之所以延遲啟動(dòng)，是因?yàn)镴VM在啟動(dòng)的時(shí)候會(huì)有很多線程運(yùn)行，也就是說(shuō)會(huì)存在線程競(jìng)爭(zhēng)的場(chǎng)景，那么這時(shí)候開(kāi)啟偏向鎖的意義不大。

如果我們需要看到偏向鎖的實(shí)現(xiàn)效果，那么有兩種方法：

? 添加JVM啟動(dòng)參數(shù)-XX:BiasedLockingStartupDelay=0，把延遲啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置為0。

? 搶占鎖資源之前，先通過(guò)Thread.sleep()方法睡眠4秒以上。

最終得到如下輸出結(jié)果。

從上面輸出結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，加鎖之后，第一個(gè)字節(jié)低位部分的3位變成了[101]，高位[1]表示當(dāng)前是偏向鎖狀態(tài)，低位[01]表示當(dāng)前是偏向鎖狀態(tài)，這顯然達(dá)到了我們的預(yù)期效果。細(xì)心的讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)，加鎖之前的鎖標(biāo)記位也是[101]——這里并沒(méi)有加偏向鎖呀？

我們來(lái)分析一下，加鎖之前并沒(méi)有存儲(chǔ)線程ID，加鎖之后才有一個(gè)線程ID（45889541）。因此，在獲得偏向鎖之前，這個(gè)標(biāo)記表示當(dāng)前是可偏向狀態(tài)，并不代表已經(jīng)處于偏向狀態(tài)。

2.5.2　輕量級(jí)鎖的原理分析

在線程沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，使用偏向鎖能夠在不影響性能的前提下獲得鎖資源，但是同一時(shí)刻只允許一個(gè)線程獲得鎖資源，如果突然有多個(gè)線程來(lái)訪問(wèn)同步方法，那么沒(méi)有搶占到鎖資源的線程要怎么辦呢？很顯然偏向鎖解決不了這個(gè)問(wèn)題。

正常情況下，沒(méi)有搶占到鎖的線程肯定要阻塞等待被喚醒，也就是說(shuō)按照重量級(jí)鎖的邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是在此之前，有沒(méi)有更好的平衡方案呢？于是就有了輕量級(jí)鎖的設(shè)計(jì)。

所謂的輕量級(jí)鎖，就是沒(méi)有搶占到鎖的線程，進(jìn)行一定次數(shù)的重試（自旋）。比如線程第一次沒(méi)搶到鎖則重試幾次，如果在重試的過(guò)程中搶占到了鎖，那么這個(gè)線程就不需要阻塞，這種實(shí)現(xiàn)方式我們稱為自旋鎖，具體的實(shí)現(xiàn)流程如圖2-14所示。

當(dāng)然，線程通過(guò)重試來(lái)?yè)屨兼i的方式是有代價(jià)的，因?yàn)榫€程如果不斷自旋重試，那么CPU會(huì)一直處于運(yùn)行狀態(tài)。如果持有鎖的線程占有鎖的時(shí)間比較短，那么自旋等待的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)性能的提升會(huì)比較明顯。反之，如果持有鎖的線程占用鎖資源的時(shí)間比較長(zhǎng)，那么自旋的線程就會(huì)浪費(fèi)CPU資源，所以線程重試搶占鎖的次數(shù)必須要有一個(gè)限制。

在JDK 1.6中默認(rèn)的自旋次數(shù)是10次，我們可以通過(guò)-XX:PreBlockSpin參數(shù)來(lái)調(diào)整自旋次數(shù)。同時(shí)開(kāi)發(fā)者在JDK 1.6中還對(duì)自旋鎖做了優(yōu)化，引入了自適應(yīng)自旋鎖，自適應(yīng)自旋鎖的自旋次數(shù)不是固定的，而是根據(jù)前一次在同一個(gè)鎖上的自旋次數(shù)及鎖持有者的狀態(tài)來(lái)決定的。如果在同一個(gè)鎖對(duì)象上，通過(guò)自旋等待成功獲得過(guò)鎖，并且持有鎖的線程正在運(yùn)行中，那么JVM會(huì)認(rèn)為此次自旋也有很大的機(jī)會(huì)獲得鎖，因此會(huì)將這個(gè)線程的自旋時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)。反之，如果在一個(gè)鎖對(duì)象中，通過(guò)自旋鎖獲得鎖很少成功，那么JVM會(huì)縮短自旋次數(shù)。

輕量級(jí)鎖的演示在2.5.1節(jié)中有，默認(rèn)不修改偏向鎖的延期開(kāi)啟參數(shù)，加鎖得到的鎖狀態(tài)就是輕量級(jí)鎖。

2.5.3　重量級(jí)鎖的原理分析

輕量級(jí)鎖能夠通過(guò)一定次數(shù)的重試讓沒(méi)有獲得鎖的線程有可能搶占到鎖資源，但是輕量級(jí)鎖只有在獲得鎖的線程持有鎖的時(shí)間較短的情況下才能起到提升同步鎖性能的效果。如果持有鎖的線程占用鎖資源的時(shí)間較長(zhǎng)，那么不能讓那些沒(méi)有搶占到鎖資源的線程不斷自旋，否則會(huì)占用過(guò)多的CPU資源，這反而是一件得不償失的事情。

如果沒(méi)搶占到鎖資源的線程通過(guò)一定次數(shù)的自旋后，發(fā)現(xiàn)仍然沒(méi)有獲得鎖，就只能阻塞等待了，所以最終會(huì)升級(jí)到重量級(jí)鎖，通過(guò)系統(tǒng)層面的互斥量來(lái)?yè)屨兼i資源。重量級(jí)鎖的實(shí)現(xiàn)原理如圖2-15所示。

整體來(lái)看，我們發(fā)現(xiàn)，如果在偏向鎖、輕量級(jí)鎖這些類型中無(wú)法讓線程獲得鎖資源，那么這些沒(méi)獲得鎖的線程最終的結(jié)果仍然是阻塞等待，直到獲得鎖的線程釋放鎖之后才能被喚醒。而在整個(gè)優(yōu)化過(guò)程中，我們通過(guò)樂(lè)觀鎖的機(jī)制來(lái)保證線程的安全性。

下面這個(gè)例子演示了在加鎖之前、單個(gè)線程搶占鎖、多個(gè)線程搶占鎖的場(chǎng)景中，對(duì)象頭中的鎖的狀態(tài)變化。

上述程序打印的結(jié)果如下。

從上述打印結(jié)果來(lái)看，對(duì)象頭中的鎖狀態(tài)一共經(jīng)歷了三個(gè)類型。

? 加鎖之前，對(duì)象頭中的第一個(gè)字節(jié)是00000001，表示無(wú)鎖狀態(tài)。

? 當(dāng)t1線程去搶占同步鎖時(shí)，對(duì)象頭中的第一個(gè)字節(jié)變成了11011000，表示輕量級(jí)鎖狀態(tài)。

? 接著main線程來(lái)?yè)屨纪粋€(gè)對(duì)象鎖，由于t1線程睡眠了2秒，此時(shí)鎖還沒(méi)有被釋放，main線程無(wú)法通過(guò)輕量級(jí)鎖自旋獲得鎖，因此它的鎖的類型是重量級(jí)鎖，鎖標(biāo)記為10。

注意，在這個(gè)案例演示中，筆者并沒(méi)有開(kāi)啟偏向鎖的參數(shù)，如果開(kāi)啟了，那么第一個(gè)加鎖之后得到的鎖狀態(tài)應(yīng)該是偏向鎖，然后直接到重量級(jí)鎖（因?yàn)閠1線程有一個(gè)sleep，所以輕量級(jí)鎖肯定無(wú)法獲得）。

由此可以看到，synchronized同步鎖最終的底層加鎖機(jī)制是JVM層面根據(jù)線程的競(jìng)爭(zhēng)情況逐步升級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而達(dá)到同步鎖性能和安全性平衡的目的，而這個(gè)過(guò)程并不需要開(kāi)發(fā)者干預(yù)。