面试高频问题:JAVA的锁升级

背景

在java中，经常会用到synchronized关键字来保证线程安全，那么什么时候会存在线程安全呢？

共享数据的修改
临界资源访问

应用场景

修饰普通同步方法：锁当前实例对象；
修饰静态同步方法：锁当前的类Class对象；
修饰同步代码块：锁Synchronized后面括号里配置的对象，这个对象可以是任意对象；

synchronized原理

在绝大多数情况下，都只会有一个线程去访问synchronized修饰的代码块，所以synchronized在jdk1.6之后为了提升效率，优化了synchronized的机制，就是所谓的锁升级。通过对象头及ObjectMonitor对象将锁划分了几个类型，其升级顺序为：无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁，要了解它的原理，则必须要了解对象头。

对象头

java对象保存在内存中，由3个部分组成：

对象头
实例数据
对齐填充字节

这里，我们只对对象头加以说明

1、对象头的存在形式

JVM中的对象头有两种形式，它由三部分组成：

Mark Word
Klass Pointer(指向类的指针)
数组长度（只有数组对象才有）

1.1 普通对象

|--------------------------------------------------------------|
|                     Object Header (64 bits)                  |
|------------------------------------|-------------------------|
|        Mark Word (32 bits)         |    Klass Word (32 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|

1.2 数组对象

|---------------------------------------------------------------------------------|
|                                 Object Header (96 bits)                         |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
|        Mark Word(32bits)       |    Klass Word(32bits) |  array length(32bits)  |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|

2、对象头组成

2.1 MarkWord

这部分主要存储对象自身的运行时数据，如hashCode,gc分代年龄，锁标记等等。MarkWord的长度根据jvm来确认，32位的JVM的mark word为32bit，64位的mark word为64bit。当一个对象被synchronized关键字当成同步锁时，围绕这个锁的一系列操作都和Mark Word有关。

Mark Word在不同的锁状态下，存储不同，在32位JVM中是这样的：

|-------------------------------------------------------|-----------------------------------------|
|                  Mark Word (32 bits)                 |       状态                                |
|----------------------------------------- -------------|-----------------------------------------|
| identity hashcode:25 | 分代年龄:4 | 是否偏向锁:1 | 锁标志位:2 |无锁        |
|------------------------------------------------------|----------------------------------------  |
|  thread id:23 | epoch:2 | 分代年龄:4 | 是否偏向锁:1 | 锁标志位:2 |  偏向锁|
|-----------------------------------------------------|--------------------|
|               指向栈中锁记录的指针:30          | 锁标志位:2   |           轻量级锁|
|--------------------------------------  -------------|-------------------------------------------|
|               指向重量级锁的指针:30  | 锁标志位:2 |                    重量级锁  |
|----------------------------------------------------|-------------------------------------------|
|                 空                     | 锁标志位:2 |GC  标记

注意：hashCode与identity hashcode并非完全是一个东西，identity hashcode是Object的hashCode

2.2 指向类的指针

该指针在32位JVM中的长度是32bit，在64位JVM中长度是64bit。

Java对象的类数据保存在方法区。

2.3 数组长度

只有数组对象保存了这部分数据。

该数据在32位和64位JVM中长度都是32bit。

Monitor

当锁膨胀为重量级锁时，多个线程来访问一段同步代码时，这些线程会被放到一个EntrySet集合中，处于阻塞状态的线程都会被放到该列表中。接下来，当线程获取到对象的Monitor时，Monitor是依赖于底层操作系统的mutex lock来实现互斥的，线程获取mutex成功，则会持有改mutex，这时其他线程就无法再获取到该mutex

如果线程调用了wait方法，那么该线程就会释放掉所持有的mutex,并且该线程会进入到WaitSet集合中，等待下一次被其他线程调用notify/notifyAll唤醒。如果当前线程顺利执行完毕方法，那么它也会释放掉所持有的mutex。

由于这种实现方式，Monitor是依赖底层的操作系统实现，这样存在用户态和内核态之间的切换，所以会增加性能开销。

锁升级的过程

JVM一般是这样使用锁和Mark Word的：

1、当没有被当做锁的时候，这就是个普通对象，锁标志位为01，是否偏向锁为0

2、当对象被当做同步锁时，一个线程A抢到锁时，锁标志位依然是01，是否偏向锁为1，前23位记录A线程的线程ID，此时锁升级为偏向锁

3、当线程A再次试图来获得锁时，JVM发现同步锁对象的标志位是01，是否偏向锁是1，也就是偏向状态，Mark Word中记录的线程id就是线程A自己的id，表示线程A已经获得了这个偏向锁，可以执行同步锁的代码，这也是偏向锁的意义

4、当一个线程B尝试获取锁，JVM发现当前的锁处于偏向状态，并且现场ID不是B线程的ID，那么线程B会先用CAS将线程id改为自己的，这里是有可能成功的，因为A线程一般不会释放偏向锁。如果失败，则执行5

5、偏向锁抢锁失败，则说明当前锁存在一定的竞争，偏向锁就升级为轻量级锁。JVM会在当前线程的现场栈中开辟一块单独的空间，里面保存指向对象锁Mark Word的指针，同时在对象锁MarkWord中保存指向这片空间的指针。上面的保存都是CAS操作，如果竞争成功，代表线程B抢到了锁，可以执行同步代码。如果抢锁失败，则继续执行6

6、轻量级锁抢锁失败，则JVM会使用自旋锁，自旋锁并非是一个锁，则是一个循环操作，不断的尝试获取锁。从JDK1.7开始，自旋锁默认开启，自旋次数由JVM决定。如果抢锁成功，则执行同步代码；如果抢锁失败，则执行7

7、自旋锁重试之后仍然未抢到锁，同步锁会升级至重量级锁，锁标志位改为10，在这个状态下，未抢到锁的线程都会被阻塞，由Monitor来管理，并会有线程的park与unpark，因为这个存在用户态和内核态的转换，比较消耗资源，故名重量级锁