Java併發(二十)----synchronized原理進階

|舊市拾荒|發表於2023-12-19

1、小故事

故事角色

老王 - JVM
小南 - 執行緒
小女 - 執行緒
房間 - 物件
房間門上 - 防盜鎖 - Monitor-重量級鎖
房間門上 - 小南書包 - 輕量級鎖
房間門上 - 刻上小南大名 - 偏向鎖 -物件專屬於某個執行緒使用
批次重刻名 - 一個類的偏向鎖撤銷到達 20 閾值 -批次重偏向
不能刻名字 - 批次撤銷該類物件的偏向鎖，設定該類不可偏向

小南要使用房間保證計算不被其它人干擾（原子性），最初，他用的是防盜鎖，當上下文切換時，鎖住門。這樣，即使他離開了，別人也進不了門，他的工作就是安全的。

但是，很多情況下沒人跟他來競爭房間的使用權。小女是要用房間，但使用的時間上是錯開的，小南白天用，小女晚上用。每次上鎖太麻煩了，有沒有更簡單的辦法呢？

小南和小女商量了一下，約定不鎖門了，而是誰用房間，誰把自己的書包掛在門口，但他們的書包樣式都一樣，因此每次進門前得翻翻書包，看課本是誰的，如果是自己的，那麼就可以進門，這樣省的上鎖解鎖了。萬一書包不是自己的，那麼就在門外等，並通知對方下次用鎖門的方式。

後來，小女回老家了，很長一段時間都不會用這個房間。小南每次還是掛書包，翻書包，雖然比鎖門省事了，但仍然覺得麻煩。

於是，小南乾脆在門上刻上了自己的名字：【小南專屬房間，其它人勿用】，下次來用房間時，只要名字還在，那麼說明沒人打擾，還是可以安全地使用房間。如果這期間有其它人要用這個房間，那麼由使用者將小南刻的名字擦掉，升級為掛書包的方式。

同學們都放假回老家了，小南就膨脹了，在 20 個房間刻上了自己的名字，想進哪個進哪個。後來他自己放假回老家了，這時小女回來了（她也要用這些房間），結果就是得一個個地擦掉小南刻的名字，升級為掛書包的方式。老王覺得這成本有點高，提出了一種批次重刻名的方法，他讓小女不用掛書包了，可以直接在門上刻上自己的名字

後來，刻名的現象越來越頻繁，老王受不了了：算了，這些房間都不能刻名了，只能掛書包----設定該類不可偏向

節碼指令中有所體現

2、synchronized 原理進階

2.1 輕量級鎖

輕量級鎖的使用場景：如果一個物件雖然有多執行緒要加鎖，但加鎖的時間是錯開的（也就是沒有競爭），那麼可以使用輕量級鎖來最佳化。

如果有競爭，輕量級鎖會升級為重量級鎖。

輕量級鎖對使用者是透明的，即語法仍然是 synchronized

假設有兩個方法同步塊，利用同一個物件加鎖

static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步塊 A
        method2();
    }
}
public static void method2() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步塊 B
    }
}

建立鎖記錄（Lock Record）物件，每個執行緒都的棧幀都會包含一個鎖記錄的結構，內部可以儲存鎖定物件的 Mark Word

Java併發(二十)----synchronized原理進階

讓鎖記錄中 Object reference 指向鎖物件，並嘗試用 cas（compare and swap，原子性）替換 Object 的 Mark Word，將 Mark Word 的值存入鎖記錄

Java併發(二十)----synchronized原理進階

如果 cas（compare and swap，原子性）替換成功，物件頭中儲存了鎖記錄地址和狀態 00，表示由該執行緒給物件加鎖，這時圖示如下

Java併發(二十)----synchronized原理進階

如果 cas（compare and swap，原子性）失敗，有兩種情況
- 如果是其它執行緒已經持有了該 Object 的輕量級鎖，這時表明有競爭，進入鎖膨脹過程
- 如果是自己執行了 synchronized 鎖重入，那麼再新增一條 Lock Record 作為重入的計數，如示例程式碼

Java併發(二十)----synchronized原理進階

當退出 synchronized 程式碼塊（解鎖時）如果有取值為 null 的鎖記錄，表示有重入，這時重置鎖記錄，表示重入計數減一（鎖重入的數量）

Java併發(二十)----synchronized原理進階

當退出 synchronized 程式碼塊（解鎖時）鎖記錄的值不為 null，這時使用 cas（compare and swap，原子性）將 Mark Word 的值恢復給物件頭
- 成功，則解鎖成功
- 失敗，說明輕量級鎖進行了鎖膨脹或已經升級為重量級鎖，進入重量級鎖解鎖流程

2.2 鎖膨脹

如果在嘗試加輕量級鎖的過程中，CAS 操作無法成功，這時一種情況就是有其它執行緒為此物件加上了輕量級鎖（有競爭），這時需要進行鎖膨脹，將輕量級鎖變為重量級鎖。

static Object obj = new Object();
public static void method1() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步塊
    }
}

當 Thread-1 進行輕量級加鎖時，Thread-0 已經對該物件加了輕量級鎖

Java併發(二十)----synchronized原理進階

這時 Thread-1 加輕量級鎖失敗，進入鎖膨脹流程
- 即為 Object 物件申請 Monitor 鎖，讓 Object 指向重量級鎖地址
- 然後自己進入 Monitor 的 EntryList BLOCKED

Java併發(二十)----synchronized原理進階

當 Thread-0 退出同步塊解鎖時，使用 cas 將 Mark Word 的值恢復給物件頭，失敗。這時會進入重量級解鎖流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 物件，設定 Owner 為 null，喚醒 EntryList 中 BLOCKED 執行緒

2.3 自旋最佳化

重量級鎖競爭的時候，還可以使用自旋來進行最佳化，如果當前執行緒自旋成功（即這時候持鎖執行緒已經退出了同步塊，釋放了鎖），這時當前執行緒就可以避免阻塞。

自旋重試成功的情況

執行緒 1 （core 1 上）	物件 Mark	執行緒 2 （core 2 上）
-	10（重量鎖）	-
訪問同步塊，獲取 monitor	10（重量鎖）重量鎖指標	-
成功（加鎖）	10（重量鎖）重量鎖指標	-
執行同步塊	10（重量鎖）重量鎖指標	-
執行同步塊	10（重量鎖）重量鎖指標	訪問同步塊，獲取 monitor
執行同步塊	10（重量鎖）重量鎖指標	自旋重試
執行完畢	10（重量鎖）重量鎖指標	自旋重試
成功（解鎖）	01（無鎖）	自旋重試
-	10（重量鎖）重量鎖指標	成功（加鎖）
-	10（重量鎖）重量鎖指標	執行同步塊
-	...	...

執行緒2自旋重試3次成功加鎖，這樣就不會陷入阻塞。

自旋重試失敗的情況

執行緒 1（core 1 上）	物件 Mark	執行緒 2（core 2 上）
-	10（重量鎖）	-
訪問同步塊，獲取 monitor	10（重量鎖）重量鎖指標	-
成功（加鎖）	10（重量鎖）重量鎖指標	-
執行同步塊	10（重量鎖）重量鎖指標	-
執行同步塊	10（重量鎖）重量鎖指標	訪問同步塊，獲取 monitor
執行同步塊	10（重量鎖）重量鎖指標	自旋重試
執行同步塊	10（重量鎖）重量鎖指標	自旋重試
執行同步塊	10（重量鎖）重量鎖指標	自旋重試
執行同步塊	10（重量鎖）重量鎖指標	阻塞
-	...	...

執行緒2一直處於自旋，最後處於阻塞狀態。
自旋會佔用 CPU 時間，單核 CPU 自旋就是浪費，多核 CPU 自旋才能發揮優勢。
在 Java 6 之後自旋鎖是自適應的，比如物件剛剛的一次自旋操作成功過，那麼認為這次自旋成功的可能性會高，就多自旋幾次；反之，就少自旋甚至不自旋，總之，比較智慧。
Java 7 之後不能控制是否開啟自旋功能

2.4 偏向鎖

輕量級鎖在沒有競爭時（就自己這個執行緒），每次鎖重入時仍然需要執行 CAS 操作。

Java 6 中引入了偏向鎖來做進一步最佳化：只有第一次使用 CAS 將執行緒 ID 設定到物件的 Mark Word 頭，之後發現這個執行緒 ID 是自己的就表示沒有競爭，不用重新 CAS。以後只要不發生競爭，這個物件就歸該執行緒所有

例如：

static final Object obj = new Object();
public static void m1() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步塊 A
        m2();
    }
}
public static void m2() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步塊 B
        m3();
    }
}
public static void m3() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步塊 C
    }
}

2.4.1 偏向狀態

回憶一下物件頭格式

|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
|                        Mark Word (64 bits)                         |       State        |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| unused:25 | hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:0 | 01    |       Normal       |  // 正常
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|  // 偏向鎖
| thread:54 | epoch:2     | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | 01    |       Biased       |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
|             ptr_to_lock_record:62                          | 00    | Lightweight Locked |  // 輕量級
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|  // 重量級
|             ptr_to_heavyweight_monitor:62                  | 10    | Heavyweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
|                                                            | 11    |    Marked for GC   |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|

一個物件建立時：

如果開啟了偏向鎖（預設開啟），那麼物件建立後，markword 值為 0x05 即最後 3 位為 101，這時它的 thread、epoch、age 都為 0
偏向鎖是預設是延遲的，不會在程式啟動時立即生效，可以sleep 4s後檢視，如果想避免延遲，可以加 VM 引數 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 來禁用延遲
如果沒有開啟偏向鎖，那麼物件建立後，markword 值為 0x01 即最後 3 位為 001，這時它的 hashcode、age 都為 0，第一次用到 hashcode 時才會賦值

1）測試延遲特性

2）測試偏向鎖

class Dog {}

利用 jol 第三方工具來檢視物件頭資訊

pom檔案

        <dependency>
            <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
            <artifactId>jol-core</artifactId>
            <version>0.10</version>
        </dependency>

程式碼（注意這一小節的程式碼瞭解一下即可，在本機是執行不成功的，注意看輸出就行了）

// 新增虛擬機器引數 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 
public static void main(String[] args) throws IOException {
    Dog d = new Dog();
    ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(d);

    new Thread(() -> {
        log.debug("synchronized 前");
        System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
        synchronized (d) {
            log.debug("synchronized 中");
            System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
        }
        log.debug("synchronized 後");
        System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
    }, "t1").start();

}

輸出

11:08:58.117 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101        //VM 引數 `-XX:BiasedLockingStartupDelay=0`後
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101         // 與上面輸出的區別，根據物件頭格式檢視
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 後
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101         // 處於偏向鎖，執行緒id不變，除非有新的競爭

注意

處於偏向鎖的物件解鎖後，執行緒 id 仍儲存於物件頭中

3）測試禁用

在上面測試程式碼執行時在新增 VM 引數 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向鎖

輸出

11:13:10.018 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001     // 三條日誌後三位均不是101
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 00010100 11110011 10001000     //  處於輕量級鎖
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 後
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001     // 恢復成正常狀態

4) 測試 hashCode，新增VM 引數 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 來禁用延遲

正常狀態物件一開始是沒有 hashCode 的，第一次呼叫才生成
呼叫 hashCode 會導致偏向鎖被禁用。因為處於偏向鎖狀態的話已經儲存執行緒id，再去儲存hashcode，空間不夠，是儲存不下的。所以這時候的狀態會被改為正常狀態。另外輕量級鎖的hashcode儲存在棧幀中的鎖記錄中，重量級鎖的hashcode儲存在monitor物件中，解鎖時會還原。

2.4.2 撤銷 - 呼叫物件 hashCode

呼叫了物件的 hashCode，但偏向鎖的物件 MarkWord 中儲存的是執行緒 id，如果呼叫 hashCode 會導致偏向鎖被撤銷

輕量級鎖會在鎖記錄中記錄 hashCode
重量級鎖會在 Monitor 中記錄 hashCode

在呼叫 hashCode 後使用偏向鎖，記得去掉 -XX:-UseBiasedLocking

輸出

11:22:10.386 c.TestBiased [main] - 呼叫 hashCode:1778535015
11:22:10.391 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 11000011 11110011 01101000
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 後
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001

2.4.3 撤銷 - 其它執行緒使用物件

當有其它執行緒使用偏向鎖物件時，會將偏向鎖升級為輕量級鎖

private static void test2() throws InterruptedException {

    Dog d = new Dog();
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        synchronized (d) {
            log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
        }
        // 鎖住當前類物件
        synchronized (TestBiased.class) {
            TestBiased.class.notify();
        }
        // 如果不用 wait/notify 使用 join 必須開啟下面的註釋
        // 因為：t1 執行緒不能結束，否則底層執行緒可能被 jvm 重用作為 t2 執行緒，底層執行緒 id 是一樣的
        /*try {
            System.in.read();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }*/
    }, "t1");
    t1.start();


    Thread t2 = new Thread(() -> {
        // 鎖住當前類物件
        synchronized (TestBiased.class) {
            try {
                TestBiased.class.wait(); // 等待t1執行緒
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
        synchronized (d) {
            log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
        }
        log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
    }, "t2");
    t2.start();
}

輸出

[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101  // 處於偏向鎖    
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101  // t2執行緒還未加鎖和t1狀態保持一致
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110101 11110000 01000000  //  處於輕量級鎖
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001  //  解鎖後處於不可偏向

2.4.4 撤銷 - 呼叫 wait/notify

這種情況下也會撤銷偏向鎖。因為wait/notify只有重量級鎖才有。會將偏向鎖或者輕量級鎖升級為重量級鎖

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Dog d = new Dog();

    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
        synchronized (d) {
            log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
            try {
                d.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
        }
    }, "t1");
    t1.start();

    new Thread(() -> {
        try {
            Thread.sleep(6000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        synchronized (d) {
            log.debug("notify");
            d.notify();
        }
    }, "t2").start();

}

輸出

[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101  // 偏向鎖
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110011 11111000 00000101  // 加鎖
[t2] - notify
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011100 11010100 00001101 11001010  // 重量級鎖

2.4.5 批次重偏向

如果物件雖然被多個執行緒訪問，但沒有競爭，這時偏向了執行緒 T1 的物件仍有機會重新偏向 T2，重偏向會重置物件的 Thread ID

當撤銷偏向鎖閾值超過 20 次後，jvm 會這樣覺得，我是不是偏向錯了呢，於是會在給這些物件加鎖時重新偏向至加鎖執行緒

private static void test3() throws InterruptedException {

    Vector<Dog> list = new Vector<>();
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            Dog d = new Dog();
            list.add(d);
            synchronized (d) {
                log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
            }
        }
        synchronized (list) {
            list.notify();
        }        
    }, "t1");
    t1.start();

    
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        synchronized (list) {
            try {
                list.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        log.debug("===============> ");
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            Dog d = list.get(i);
            log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
            synchronized (d) {
                log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
            }
            log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
        }
    }, "t2");
    t2.start();
}

輸出

[t1] - 0    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101  // 偏向鎖
[t1] - 1    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 2    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 3    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 4    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 5    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 6    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 7    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 8    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 9    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 10   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 11   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 12   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 13   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 14   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 15   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 16   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
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[t1] - 18   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 19   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 20   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 21   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
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[t1] - 25   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
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[t1] - 27   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 28   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 29   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - ===============> 
[t2] - 0    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 // 偏向t1鎖
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[t2] - 1    00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
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[t2] - 2    00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
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[t2] - 3    00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 3    00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
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[t2] - 4    00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 5    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
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[t2] - 5    00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
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[t2] - 6    00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 6    00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 7    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
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[t2] - 7    00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 8    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 8    00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 8    00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 9    00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 9    00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 9    00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 10   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 10   00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 10   00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 11   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 11   00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 11   00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 12   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 12   00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 12   00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 13   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 13   00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 13   00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 14   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 14   00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 14   00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 15   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 15   00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 15   00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 16   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
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[t2] - 16   00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 17   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 17   00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 17   00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 18   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 18   00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 18   00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 19   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101  // 第20個物件開始,全部處於偏向t2的偏向鎖
[t2] - 19   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101  // 批次重偏向,後面所有都處於偏向t2的偏向鎖
[t2] - 19   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 20   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 20   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 20   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 21   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 21   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 21   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 22   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 22   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
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[t2] - 23   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 23   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 23   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 24   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 24   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 24   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 25   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 25   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 25   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 26   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 26   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 26   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 27   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 27   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 27   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 28   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 28   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 28   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 29   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 29   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 29   00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101

2.4.6 批次撤銷

當撤銷偏向鎖閾值超過 40 次後，jvm 會這樣覺得，自己確實偏向錯了，根本就不該偏向。於是整個類的所有物件都會變為不可偏向的，新建的物件也是不可偏向的

這裡就不列印日誌了，可以自行思考

static Thread t1,t2,t3;
private static void test4() throws InterruptedException {
    Vector<Dog> list = new Vector<>();

    int loopNumber = 39;
    t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            Dog d = new Dog();
            list.add(d);
            synchronized (d) {
                log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
            }
        }
        LockSupport.unpark(t2);
    }, "t1");
    t1.start();

    t2 = new Thread(() -> {
        LockSupport.park();
        log.debug("===============> ");
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            Dog d = list.get(i);
            log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
            synchronized (d) {
                log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
            }
            log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
        }
        LockSupport.unpark(t3);
    }, "t2");
    t2.start();

    t3 = new Thread(() -> {
        LockSupport.park();
        log.debug("===============> ");
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            Dog d = list.get(i);
            log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
            synchronized (d) {
                log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
            }
            log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
        }
    }, "t3");
    t3.start();

    t3.join();
    log.debug(ClassLayout.parseInstance(new Dog()).toPrintableSimple(true));
}

參考資料

https://github.com/farmerjohngit/myblog/issues/12

https://www.cnblogs.com/LemonFive/p/11246086.html

https://www.cnblogs.com/LemonFive/p/11248248.html

偏向鎖論文

2.5 鎖消除

鎖消除

@Fork(1)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@Warmup(iterations=3)
@Measurement(iterations=5)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
public class MyBenchmark {
    static int x = 0;
    @Benchmark
    public void a() throws Exception {
        x++;
    }
    @Benchmark
    public void b() throws Exception {
        Object o = new Object();
        synchronized (o) {
            x++;
        }
    }
}

java -jar benchmarks.jar

Benchmark            Mode  Samples  Score  Score error  Units
c.i.MyBenchmark.a    avgt        5  1.542        0.056  ns/op
c.i.MyBenchmark.b    avgt        5  1.518        0.091  ns/op

b是有一個加鎖的操作，那為什麼a耗時與b耗時幾乎別區別呢？是因為Java中有一個JIT（即時編譯器），會對於反覆執行的程式碼進行最佳化，b中o物件根本不會被共享，所以b中的synchronized是沒有任何意義的，所以Java就把鎖給消除了。這也是存在一個開關的，這個開關是預設開啟的，下面演示下把這個開關關閉掉。

java -XX:-EliminateLocks -jar benchmarks.jar

Benchmark            Mode  Samples   Score  Score error  Units
c.i.MyBenchmark.a    avgt        5   1.507        0.108  ns/op
c.i.MyBenchmark.b    avgt        5  16.976        1.572  ns/op

可以看到耗時有明顯差距了。

鎖粗化

對相同物件多次加鎖，導致執行緒發生多次重入，可以使用鎖粗化方式來最佳化，這不同於之前的細分鎖的粒度。

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Java併發(二十)----synchronized原理進階

1、小故事

2、synchronized 原理進階

2.1 輕量級鎖

2.2 鎖膨脹

2.3 自旋最佳化

2.4 偏向鎖

2.4.1 偏向狀態

1） 測試延遲特性

2） 測試偏向鎖

3）測試禁用

2.4.2 撤銷 - 呼叫物件 hashCode

2.4.3 撤銷 - 其它執行緒使用物件

2.4.4 撤銷 - 呼叫 wait/notify

2.4.5 批次重偏向

2.4.6 批次撤銷

2.5 鎖消除

鎖消除

鎖粗化

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1）測試延遲特性

2）測試偏向鎖