难搞的偏向锁终于被 Java 移除了

背景

在 JDK1.5 之前，面对 Java 并发问题， synchronized 是一招鲜的解决方案：

1. 普通同步方法，锁上当前实例对象
2. 静态同步方法，锁上当前类 Class 对象
3. 同步块，锁上括号里面配置的对象

拿同步块来举例:

public void test(){
  synchronized (object) {
    i++;
  }
}
复制代码

经过 javap -v 编译后的指令如下：

monitorenter 指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置；monitorexit是插入到方法结束和异常的位置(实际隐藏了try-finally)，每个对象都有一个 monitor 与之关联，当一个线程执行到 monitorenter 指令时，就会获得对象所对应的 monitor 的所有权，也就获得到了对象的锁

当另外一个线程执行到同步块的时候，由于它没有对应 monitor 的所有权，就会被阻塞，此时控制权只能交给操作系统，也就会从 user mode 切换到 kernel mode, 由操作系统来负责线程间的调度和线程的状态变更, 需要频繁的在这两个模式下切换（上下文转换）。这种有点竞争就找内核的行为很不好，会引起很大的开销，所以大家都叫它重量级锁，自然效率也很低，这也就给很多童鞋留下了一个根深蒂固的印象 —— synchronized关键字相比于其他同步机制性能不好

锁的演变

来到 JDK1.6，要怎样优化才能让锁变的轻量级一些？ 答案就是：

轻量级锁：CPU CAS

如果 CPU 通过简单的 CAS 能处理加锁/释放锁，这样就不会有上下文的切换，较重量级锁而言自然就轻了很多。但是当竞争很激烈，CAS 尝试再多也是浪费 CPU，权衡一下，不如升级成重量级锁，阻塞线程排队竞争，也就有了轻量级锁升级成重量级锁的过程

程序员在追求极致的道路上是永无止境的，HotSpot 的作者经过研究发现，大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一个线程多次获得，同一个线程反复获取锁，如果还按照轻量级锁的方式获取锁（CAS），也是有一定代价的，如何让这个代价更小一些呢？

偏向锁

偏向锁实际就是锁对象潜意识「偏心」同一个线程来访问，让锁对象记住线程 ID，当线程再次获取锁时，亮出身份，如果同一个 ID 直接就获取锁就好了，是一种 load-and-test 的过程，相较 CAS 自然又轻量级了一些

可是多线程环境，也不可能只是同一个线程一直获取这个锁，其他线程也是要干活的，如果出现多个线程竞争的情况，也就有了偏向锁升级的过程

这里可以先思考一下：偏向锁可以绕过轻量级锁，直接升级到重量级锁吗？

都是同一个锁对象，却有多种锁状态，其目的显而易见：

占用的资源越少，程序执行的速度越快

偏向锁，轻量锁，它俩都不会调用系统互斥量（Mutex Lock），只是为了提升性能，多出的两种锁的状态，这样可以在不同场景下采取最合适的策略，所以可以总结性的说：

• 偏向锁：无竞争的情况下，只有一个线程进入临界区，采用偏向锁

• 轻量级锁：多个线程可以交替进入临界区，采用轻量级锁

• 重量级锁：多线程同时进入临界区，交给操作系统互斥量来处理

到这里，大家应该理解了全局大框，但仍然会有很多疑问：

1. 锁对象是在哪存储线程 ID 才可以识别同一个线程的？
2. 整个升级过程是如何过渡的？

想理解这些问题，需要先知道 Java 对象头的结构

认识 Java 对象头

按照常规理解，识别线程 ID 需要一组 mapping 映射关系来搞定，如果单独维护这个 mapping 关系又要考虑线程安全的问题。奥卡姆剃刀原理，Java 万物皆是对象，对象皆可用作锁，与其单独维护一个 mapping 关系，不如中心化将锁的信息维护在 Java 对象本身上

Java 对象头最多由三部分构成：

1. MarkWord
2. ClassMetadata Address
3. Array Length （如果对象是数组才会有这部分）

其中 Markword 是保存锁状态的关键，对象锁状态可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级到重量级锁，加上初始的无锁状态，可以理解为有 4 种状态。想在一个对象中表示这么多信息自然就要用位存储，在 64 位操作系统中，是这样存储的（注意颜色标记），想看具体注释的可以看 hotspot(1.8) 源码文件 path/hotspot/src/share/vm/oops/markOop.hpp 第 30 行

有了这些基本信息，接下来我们就只需要弄清楚，MarkWord 中的锁信息是怎么变化的

认识偏向锁

单纯的看上图，还是显得十分抽象，作为程序员的我们最喜欢用代码说话，贴心的 openjdk 官网提供了可以查看对象内存布局的工具 JOL (java object layout)

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