标签：JUC synchronized 十一对象 XX 线程 ID 偏向

零、问题

谈谈你对Synchronized的理解
Synchronized的锁升级你聊聊
Synchronized的性能是不是一定弱于Lock

synchronized锁：由对象头中的Mark Word根据锁标志位的不同而被复用及锁升级策略

一、Synchronized的性能变化

1、java5之前

java5以前，只有Synchronized，这个是操作系统级别的重量级操作
- 重量级锁，假如锁的竞争比较激烈的话，性能下降
Java5之前，用户态和内核态之间的切换
- java的线程是映射到操作系统原生线程之上的，如果要阻塞或唤醒一个线程就需要操作系统介入，需要在户态与核心态之间切换，这种切换会消耗大量的系统资源，因为用户态与内核态都有各自专用的内存空间，专用的寄存器等，用户态切换至内核态需要传递给许多变量、参数给内核，内核也需要保护好用户态在切换时的一些寄存器值、变量等，以便内核态调用结束后切换回用户态继续工作。
- 在Java早期版本中，synchronized属于重量级锁，效率低下，因为监视器锁（monitor）是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的，挂起线程和恢复线程都需要转入内核态去完成，阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态切换需要耗费处理器时间，如果同步代码块中内容过于简单，这种切换的时间可能比用户代码执行的时间还长”，时间成本相对较高，这也是为什么早期的synchronized效率低的原因
- Java 6之后，为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，引入了轻量级锁和偏向锁

为什么每一个对象都可以成为一个锁： markOop.hpp

Monitor可以理解为一种同步工具，也可理解为一种同步机制，常常被描述为一个Java对象。Java对象是天生的Monitor，每一个Java对象都有成为Monitor的潜质，因为在Java的设计中，每一个Java对象自打娘胎里出来就带了一把看不见的锁，它叫做内部锁或者Monitor锁。
Monitor的本质是依赖于底层操作系统的Mutex Lock实现，操作系统实现线程之间的切换需要从用户态到内核态的转换，成本非常高。

Monitor(监视器锁) Mutex Lock Monitor是在jvm底层实现的，底层代码是c++。本质是依赖于底层操作系统的Mutex Lock实现，操作系统实现线程之间的切换需要从用户态到内核态的转换，状态转换需要耗费很多的处理器时间成本非常高。所以synchronized是Java语言中的一个重量级操作。

Monitor与java对象以及线程是如何关联？
- 1.如果一个java对象被某个线程锁住，则该java对象的Mark Word字段中LockWord指向monitor的起始地址
- 2.Monitor的Owner字段会存放拥有相关联对象锁的线程id 。Mutex Lock 的切换需要从用户态转换到核心态中，因此状态转换需要耗费很多的处理器时间。

2、java6

java6开始，优化Synchronized

Java 6之后，为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，引入了轻量级锁和偏向锁
需要有个逐步升级的过程，别一开始就捅到重量级锁

二、synchronized锁种类及升级步骤

1、多线程访问情况，3种

只有一个线程来访问，有且唯一Only One
有2个线程A、B来交替访问
竞争激烈，多个线程来访问

2、升级流程

1、概述

synchronized用的锁是存在Java对象头里的Mark Word中
锁升级功能主要依赖Mark Word中锁标志位和释放偏向锁标志位

2、64位标记图：

3、锁指向

偏向锁：MarkWord存储的是偏向的线程ID
轻量锁：MarkWord存储的是指向线程栈中Lock Record的指针
重量锁：MarkWord存储的是指向堆中的monitor对象的指针

3、无锁

package com.lori.juc2023.juc10;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class NoLock {
    public static void main(String[] args) {
        Object o = new Object();  //没有实例数据，只有对象头
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
    }
}

java.lang.Object object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
     12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total


Process finished with exit code 0

value的字段需要从下到上倒着看

package com.lori.juc2023.juc10;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class NoLock {
    public static void main(String[] args) {
        Object o = new Object();  //没有实例数据，只有对象头
        System.out.println("10进制"+o.hashCode());
        System.out.println("16进制"+Integer.toHexString(o.hashCode()));
        System.out.println("2进制"+Integer.toBinaryString(o.hashCode()));
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
    }
}

4、偏向锁

1、是什么

单线程竞争 当线程A第一次竞争到锁的时候，通过操作修改Mark Word中的偏向线程ID、偏向模式如果不存在其他线程竞争，那么持有偏向锁的线程将永远不需要进行同步。

2、主要作用

当一段同步代码一直被同一个线程多次访问，由于只有一个线程那么该线程在后续访问时便会自动获得锁，不会再频繁的进行用户态到内核态的切换
同一个老顾客来访，直接老规矩行方便

3、小结论

Hotspot 的作者经过研究发现，大多数情况下：多线程的情况下，锁不仅不存在多线程竞争，还存在锁由同一线程多次获得的情况，偏向锁就是在这种情况下出现的，它的出现是为了解决只有在一个线程执行同步时提高性能。

偏向锁会偏向于第一个访问锁的线程，如果在接下来的运行过程中，该锁没有被其他的线程访问，则持有偏向锁的线程将永远不需要触发同步。也即偏向锁在资源没有竞争情况下消除了同步语句，懒的连CAS操作都不做了，直接提高程序性能

package com.lori.juc2023.juc10;

public class SaleTicketDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Ticket ticket = new Ticket();
           new Thread(()->{for (int i = 0; i < 55; i++) {ticket.sale();}},"a").start();
           new Thread(()->{for (int i = 0; i < 55; i++) {ticket.sale();}},"b").start();
           new Thread(()->{for (int i = 0; i < 55; i++) {ticket.sale();}},"c").start();
    }


}

class Ticket{ //模拟三个售票员，卖完50张票
    private int number = 50;
    Object object = new Object();

    public void sale(){
        synchronized (object){
            if (number>0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖出第："+(number--)+"\t"+"还剩下："+number);
            }
        }
    }
}

4、偏向锁的持有

理论落地：

在实际应用运行过程中发现，“锁总是同一个线程持有，很少发生竞争”，也就是说锁总是被第一个占用他的线程拥有，这个线程就是锁的偏向线程。
那么只需要在锁第一次被拥有的时候，记录下偏向线程ID。这样偏向线程就一直持有着锁(后续这个线程进入和退出这段加了同步锁的代码块时，不需要再次加锁和释放锁。而是直接比较对象头里面是否存储了指向当前线程的偏向锁)。 如果相等表示偏向锁是偏向于当前线程的，就不需要再尝试获得锁了，直到竞争发生才释放锁。以后每次同步，检查锁的偏向线程ID与当前线程ID是否一致，如果一致直接进入同步。无需每次加锁解锁都去CAS更新对象头。如果自始至终使用锁的线程只有一个，很明显偏向锁几乎没有额外开销，性能极高。
如果不等，表示发生了竞争，锁已经不是总偏向于一个线程了，这个时候会尝试使用CAS来替换MarkWord里面的线程ID为新线程ID
竞争成功，表示之前的线程不存在了，MarkWord里面的线程ID为新的线程ID，锁不会升级，仍然为偏向锁
竞争失败，这个时候可能需要升级变为轻量级锁，才能保证线程间公平竞争锁 注意：偏向锁只有遇到其它线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线是不会去主动释放偏向锁的。

技术实现：

一个synchronized方法被一个线程抢到了锁时，那这个方法所在的对象就会在其所在的Mark Word中将偏向锁修改状态位，同时还会有占用前54位来存储线程指针作为标识。若该线程再次访问同一个synchronized方法时，该线程只需去对象头的Mark Word 中去判断一下是否有偏向锁指向本身的ID，无需再进入 Monitor 去竞争对象了。

细化案例Account对象举例说明 偏向锁的操作不用直接捅到操作系统，不涉及用户到内核转换，不必要直接升级为最高级，我们以一个account对象的“对象头”为例假如有一个线程执行到synchronized代码块的时候，JVM使用CAS操作把线程指针ID记录到Mark Word当中，并修改标偏向标示，标示当前线程就获得该锁。锁对象变成偏向锁（通过CAS修改对象头里的锁标志位），字面意思是“偏向于第一个获得它的线程”的锁。执行完同步代码块后，线程并不会主动释放偏向锁。这时线程获得了锁，可以执行同步代码块。当该线程第二次到达同步代码块时会判断此时持有锁的线程是否还是自己（持有锁的线程ID也在对象头里），JVM通过account对象的Mark Word判断：当前线程ID还在，说明还持有着这个对象的锁，就可以继续进入临界区工作。由于之前没有释放锁，这里也就不需要重新加锁。 如果自始至终使用锁的线程只有一个，很明显偏向锁几乎没有额外开销，性能极高。 结论：JVM不用和操作系统协商设置Mutex(争取内核)，它只需要记录下线程ID就标示自己获得了当前锁，不用操作系统接入。 上述就是偏向锁：在没有其他线程竞争的时候，一直偏向偏心当前线程，当前线程可以一直执行。

5、偏向锁JVM命令

linux：java -XX:+PrintFlagsInitial |grep BiasedLock*

$ java -XX:+PrintFlagsInitial |grep BiasedLock*
     intx BiasedLockingBulkRebiasThreshold          = 20                                  {product}
     intx BiasedLockingBulkRevokeThreshold          = 40                                  {product}
     intx BiasedLockingDecayTime                    = 25000                               {product}
     intx BiasedLockingStartupDelay                 = 4000       #偏向锁启动延迟4s                         {product}
     bool TraceBiasedLocking                        = false                               {product}
     bool UseBiasedLocking                          = true         #默认打开偏向锁                       {product}

13161@Lori MINGW64 ~/Desktop
$

实际上偏向锁在JDK1.6之后是默认开启的，但是启动时间有延迟，所以需要添加参数-XX:BiasedLockingStartupDelay=0，让其在程序启动时立刻启动。开启偏向锁： -XX:+UseBiasedLocking 关闭延迟：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 关闭偏向锁：关闭之后程序默认会直接进入------>>>>>>>> 轻量级锁状态。 -XX:-UseBiasedLocking

-XX:+UseBiasedLocking 开启偏向锁(默认) -XX:-UseBiasedLocking 关闭偏向锁 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 关闭延迟(演示偏向锁时需要开启) 参数说明：偏向锁在JDK1.6以上默认开启，开启后程序启动几秒后才会被激活，可以使用JVM参数来关闭延迟 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 如果确定锁通常处于竞争状态则可通过JVM参数 -XX:-UseBiasedLocking 关闭偏向锁，那么默认会进入轻量级锁

package com.lori.juc2023.juc10;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class LockDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        Object o = new Object();
        synchronized (o){
             //try {TimeUnit.SECONDS.sleep(5);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
        }
    }
}

标签：JUC,synchronized,十一,对象,XX,线程,ID,偏向
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十一、JUC-synchronized与锁升级