并发编程:synchronized 锁升级过程的验证


    关于synchronized关键字以及偏向锁、轻量级锁、重量级锁的介绍广大网友已经给出了太多文章和例子,这里就不再重复了,也可点击链接来回顾一下。在这里来实战操作一把,验证JVM是怎么一步一步对锁进行升级的,这其中有很多值得思考的地方。

需要关注的点:

  • JDK8偏向锁默认是开启的,不过JVM启动后有4秒钟的延迟,所以在这4秒钟内对家加锁都直接是轻量级锁,可用-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 关闭该特性

  • 测试用的JDK是64位的,所以获取对象头的时候是用unsafe.getLong,来获取对象头Markword的8个字节,如果你是32位则用unsafe.getInt替换即可

  • hashCode方法会对偏向锁造成影响(这里的hashCode特指identity hashcode,如果锁对象重载过hashCode方法则不会影响)

剩下的,我们直接代码里来相见:

public class SynchronizedTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 直接休眠5秒,或者用-XX:BiasedLockingStartupDelay=0关闭偏向锁延迟
        Thread.sleep(5000);
        // 反射获取sun.misc的Unsafe对象,用来查看锁的对象头的信息
        Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        theUnsafe.setAccessible(true);
        final Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);

        // 锁对象
        final Object lock = new Object();
        // TODO 64位JDK对象头为 64bit = 8Byte,如果是32位JDK则需要换成unsafe.getInt
        printf("1_无锁状态:" + getLongBinaryString(unsafe.getLong(lock, 0L)));

        // 如果不执行hashCode方法,则对象头的中的hashCode为0,
        // 但是如果执行了hashCode(identity hashcode,重载过的hashCode方法则不受影响),会导致偏向锁的标识位变为0(不可偏向状态),
        // 且后续的加锁不会走偏向锁而是直接到轻量级锁(被hash的对象不可被用作偏向锁)
//        lock.hashCode();
//        printf("锁对象hash:" + getLongBinaryString(lock.hashCode()));

        printf("2_无锁状态:" + getLongBinaryString(unsafe.getLong(lock, 0L)));

        printf("主线程hash:" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().hashCode()));
        printf("主线程ID:" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().getId()) + "\n");
        // 无锁 --> 偏向锁
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                printf("3_偏向锁:" +getLongBinaryString(unsafe.getLong(lock, 0L)));
                printf("偏向线程hash:" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().hashCode()));
                printf("偏向线程ID:" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().getId()) + "\n");
                // 如果锁对象已经进入了偏向状态,再调用hashCode(),会导致锁直接膨胀为重量级锁
//                lock.hashCode();
            }
            // 再次进入同步快,lock锁还是偏向当前线程
            synchronized (lock) {
                printf("4_偏向锁:" +getLongBinaryString(unsafe.getLong(lock, 0L)));
                printf("偏向线程hash:" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().hashCode()));
                printf("偏向线程ID:" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().getId()) + "\n");
            }
        }).start();
        Thread.sleep(1000);

        // 可以看到就算偏向的线程结束,锁对象的偏向锁也不会自动撤销
        printf("5_偏向线程结束:" +getLongBinaryString(unsafe.getLong(lock, 0L)) + "\n");

        // 偏向锁 --> 轻量级锁
        synchronized (lock) {
            // 对象头为:指向线程栈中的锁记录指针
            printf("6_轻量级锁:" + getLongBinaryString(unsafe.getLong(lock, 0L)));
            // 这里获得轻量级锁的线程是主线程
            printf("轻量级线程hash:" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().hashCode()));
            printf("轻量级线程ID:" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().getId()) + "\n");
        }
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                printf("7_轻量级锁:" +getLongBinaryString(unsafe.getLong(lock, 0L)));
                printf("轻量级线程hash:" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().hashCode()));
                printf("轻量级线程ID:" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().getId()) + "\n");
            }
        }).start();
        Thread.sleep(1000);

        // 轻量级锁 --> 重量级锁
        synchronized (lock) {
            int i = 123;
            // 注意:6_轻量级锁 和 8_轻量级锁 的对象头是一样的,证明线程释放锁后,栈帧中的锁记录并未清除,如果方法返回,锁记录是否保留还是清除?
            printf("8_轻量级锁:" + getLongBinaryString(unsafe.getLong(lock, 0L)));
            // 在锁已经获取了lock的轻量级锁的情况下,子线程来获取锁,则锁会膨胀为重量级锁
            new Thread(() -> {
                synchronized (lock) {
                    printf("9_重量级锁:" +getLongBinaryString(unsafe.getLong(lock, 0L)));
                    printf("重量级线程hash:" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().hashCode()));
                    printf("重量级线程ID:" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().getId()) + "\n");
                }
            }).start();
            // 同步块中睡眠1秒,不会释放锁,等待子线程请求锁失败导致锁膨胀(见轻量级加锁过程)
            Thread.sleep(1000);
        }
        Thread.sleep(500);
    }

    private static String getLongBinaryString(long num) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < 64; i++) {
            if ((num & 1) == 1) {
                sb.append(1);
            } else {
                sb.append(0);
            }
            num = num >> 1;
        }
        return sb.reverse().toString();
    }
    private static void printf(String str) {
        System.out.printf("%s%n", str);
    }
}

运行结果如下:

1_无锁状态:0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000101
2_无锁状态:0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000101
主线程hash:0000000000000000000000000000000001001010010101110100011110010101
主线程ID:0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001

3_偏向锁:0000000000000000000000000000000000011110001001011110100000000101
偏向线程hash:0000000000000000000000000000000001001011010110110100011011111101
偏向线程ID:0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001010

4_偏向锁:0000000000000000000000000000000000011110001001011110100000000101
偏向线程hash:0000000000000000000000000000000001001011010110110100011011111101
偏向线程ID:0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001010

5_偏向线程结束:0000000000000000000000000000000000011110001001011110100000000101

6_轻量级锁:0000000000000000000000000000000000000011000110101111010010110000
轻量级线程hash:0000000000000000000000000000000001001010010101110100011110010101
轻量级线程ID:0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001

7_轻量级锁:0000000000000000000000000000000000011110101101101111010010001000
轻量级线程hash:0000000000000000000000000000000000011000010110111010100010100100
轻量级线程ID:0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001011

8_轻量级锁:0000000000000000000000000000000000000011000110101111010010110000
9_重量级锁:0000000000000000000000000000000000000011010010101110000100011010
重量级线程hash:0000000000000000000000000000000000111101101111111101111111000111
重量级线程ID:0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001100

现在依此来看下各个状态:

  • 1_无锁状态:通过结果可以看到:对象的hashCode为0,gc分代年龄也是0,偏向锁标志位为1(表示可偏向状态),锁标志位为01
  • 2_无锁状态:如果不执行hashCode方法,则跟1_无锁状态一致,否则为:0000000000000000000000000100101001010111010001111001010100000001
    偏向锁标志位为0,表示不可偏向状态,这里网友们大多有误解,实际应该为:偏向锁标志位表示的是当前锁是否可偏向
  • 3_偏向锁:子线程首次获取锁,则锁偏向子线程
  • 4_偏向锁:子线程是否锁后再次获取锁,JVM检测到锁是偏向子线程的,所以直接获取

  • 5_偏向线程结束:偏向的线程结束后,锁对象的对象头没有改变,所以偏向锁也不会自动撤销(这里JDK团队是否可以做优化呢?还是说线程根本就没记录哪些锁偏向了自己,所以退出的时候也没法一一撤销)

  • 6_轻量级锁:如果锁已经偏向了一个线程,则其他现在来获取锁,则需要升级为轻量级锁

  • 7_轻量级锁:只要没有多个线程同一时刻来竞争锁,则多个线程可以轮流使用这把轻量级锁(使用完后会及时释放,CAS替换Markword)

  • 8_轻量级锁、9_重量级锁:主线程先获取轻量级锁,在持有锁的同时,创建一个子线程来获取同一把锁,这时候有了锁的竞争,则会升级为重量级锁

注意:

如果把代码里的第一行或者第二行lock.hashCode();注释掉的话,则执行的结果完全就不同了,也可从结果验证上文提到的hashCode对偏向锁的影响。

还剩一个问题:

网上经常能看到的一张对象头布局图,其中偏向锁状态时Markword存储的是:线程ID + Epoch + 分代年龄 + 1 + 01


但是,我在程序中验证了,锁对象处于偏向锁的状态时,Markword存储的内容既不是线程ID也不是线程对象的hashCode,这个问题很奇怪,目前还没找到原因所在。


作者:ocean.wen,发布于:2019/05/15
原文:https://www.cnblogs.com/ocean234/p/10684928.html