前言
- 上篇文章咱们理解了 synchronized 关键字的常见用法、对象头以及证实了一个对象在无锁状态下的对象头 markwork 局部的前 56 位存储的是 hashcode。接下来，咱们持续来依据对象头别离证实分代年龄为什么是 15、无锁、偏差锁、轻量锁、重 (chong) 偏差、重 (chong) 轻量、分量锁，这些锁是实在存在的，咱们能够通过代码来重现。废话不多说，咱们一一来证实
一、证实分代年龄为什么为 15
- 大家都晓得，在 jvm 中，若一个对象在 survivor 区通过了 15 次的 young gc。当再进行一次 young gc 时，这个对象将会挪动到老年代。那么为什么是 15 而不是 16、17、18 呢？这个问题就跟 hashmap 的初始容量为什么为 16 的起因有点类似，都波及到对象的二进制。咱们持续拿 java 对象头来阐明，请看下图：
由第一张图可知，分代年龄占用了 4bit，设想一下，4bit 能示意的最大数是什么？没错，就是所有的 bit 位都是 1，即 1111。而二进制的1111 转化成十进制后的值就是 15 啦。当初能明确分代年龄为什么是 15 了吧？
-
利用此局部，咱们把图中形容的锁状态以表格的形式出现进去
锁状态 锁标识 备注 无锁 001 对象头中应用 baised_lock + lock 一共 3bit 来示意无锁和偏差锁的 偏差锁 101 对象头中应用 baised_lock + lock 一共 3bit 来示意无锁和偏差锁的 轻量锁 00 只用到了 lock 标识位 分量锁 10 只用到了 lock 标识位 GC 标记 11 只用到了 lock 标识位
二、证实对象处于无锁状态
- 要证实这个很简略，间接创立一个 object 对象，并且应用 jol 打印进去对象头就能剖析出，请细看如下代码及运行后果
-
第一步：创立 User.java 类
package com.eugene.basic.concurrency.objectheader; public class User {} -
第二步：应用 JOL API 查看 user 对象的布局信息
package com.eugene.basic.concurrency.objectheader; import org.openjdk.jol.info.ClassLayout; /** * 验证对象头 hashCode 信息 */ public class Valid {public static void main(String[] args) {User user = new User(); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); } } - 运行后果如下图所示：
上篇文章说了，自己电脑的 cpu 存储内存是以小端模式存储的，即 低位内存存储低位数据 。所以咱们只须要看红色框框的第一行的数据。第一行数据看哪呢？看value局部，它的值为00000001。依据咱们的 java 对象头结构图可知，从右边开始数，第 1 个 bit 是unused 局部、第 2 - 5 个 bit 是 分代年龄 局部、第 6 个 bit 是 biased_lock 偏差锁 标识、第 7 - 8 个 bit 是 lock 标识。由上剖析可知：最初两位的值为01，而01可能代表为无锁或者偏差锁，此时咱们再往前看一位，发现 biased_lock 位的值为 0. 因而最初三位值为001⇒ 证实 user 对象此时是无锁状态。
三、证实偏差锁
- 证实偏差锁之前，咱们按下图操作，给 jvm 增加查看全局配置的参数：
间接运行 main 办法，运行后果如下所示 (因为篇幅问题，只截图了要害局部)
由图中的 -XX:BiasedLockingStartupDelay=4000 配置可知，jvm 会在启动虚拟机之后的 4s 后才会开启偏差锁性能。晓得这个概念后，咱们再来科普下什么是偏差锁。 - 所谓偏差锁：即当一把锁处于 可偏差状态 时，当有线程持有这把锁后，这把锁将偏差于这个线程。这里提到了可偏差状态，何为 可偏差状态 呢？可偏差状态是指在 jvm 开启可偏差性能后，new 进去的一个对象它都是可偏差状态，即它的标识位为
101，然而没有具体的偏差某一个线程。 -
证实可偏差状态和偏差锁：
增加如下代码并执行：
public class Valid {public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 这里要留神, 肯定要在创建对象之前睡眠，若咱们先创建对象，能够想一想会产生什么状况！// 那必定是不会启动偏差锁的性能呀，咱们都晓得加锁其实是给对象加了个标识 // 如果咱们在偏差锁性能未开启之前创立了对象，很道歉，// jvm 没有那么智能，前面不会去把这个对象改成可偏差状态(是偏差锁，然而没有偏差具体 // 的线程) Thread.sleep(4100); System.out.println(ByteOrder.nativeOrder().toString()); User user = new User(); System.out.println("before lock"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); synchronized (user) {System.out.println("lock ing"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); } System.out.println("after lock"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); } }> 查看运行后果四、证实一个对象调用了 hashcode 办法后无奈再被标识为偏差锁，而是升级成轻量锁
-
编写如下代码(绝对于上述代码，仅在加锁前调用了对象的 hashcode 办法)：
public class Valid {public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 这里要留神, 肯定要在创建对象之前睡眠，若咱们先创建对象，能够想一想会产生什么状况！// 那必定是不会启动偏差锁的性能呀，咱们都晓得加锁其实是给对象加了个标识 // 如果咱们在偏差锁性能未开启之前创立了对象，很道歉，// jvm 没有那么智能，前面不会去把这个对象改成可偏差状态(是偏差锁，然而没有偏差具体 // 的线程) Thread.sleep(4100); System.out.println(ByteOrder.nativeOrder().toString()); User user = new User(); System.out.println("before lock"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); System.out.println(user.hashCode()); synchronized (user) {System.out.println("lock ing"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); } System.out.println("after lock"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); } } -
运行后果及剖析
五、证实轻量锁
- 这里说下轻量锁的概念：若线程是交替执行的，即上一个线程执行完开释锁后下一个线程再获取锁。若在 jvm 未开启偏差锁的过程中，对对象进行加锁时，对象间接是轻量锁。
-
撰写如下代码并执行：
public class Valid {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {System.out.println(ByteOrder.nativeOrder().toString()); User user = new User(); System.out.println("before lock"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); synchronized (user) {System.out.println("lock ing"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); } System.out.println("after lock"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); } } -
运行后果如下
六、证实偏差锁收缩为轻量锁
-
编写如下代码并执行
public class Valid {public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 开启偏差锁性能 Thread.sleep(4100); System.out.println(ByteOrder.nativeOrder().toString()); User user = new User(); System.out.println("before lock" + ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); synchronized (user) {System.out.println("lock ing" + ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); } System.out.println("after lock" + ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); // 开启线程来获取锁 Thread t1 = new Thread(() -> {synchronized (user) {System.out.println("other t1 thread get lock" + ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); } }, "t1"); t1.start(); // 期待 t1 执行完后再打印一次锁信息 t1.join(); System.out.println("after t1 thread release lock" + ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); } } -
运行后果及剖析
七、证实重 (chong) 偏差
- 持续援用第三章：证实偏差锁的图
咱们关注intx BiasedLockingBulkRebiasThreshold = 20此配置。此配置阐明整个偏差锁重偏差的阈值为 20。ok，阈值咱们晓得了，接下来阐明下什么叫做重偏差 - 所谓重偏差，依照字面意思来了解就是：锁的重偏差过程。然而大家都晓得，锁的状态是不可逆的，当偏差锁被其余线程持有后就会收缩成轻量锁了。然而，这里的重偏差是指批量重偏差。咱们先来看例子再来总结：
-
编写如下类，并运行它：
public class ReBiasedLock {static List<User> locks = new ArrayList<>(); static final int THREAD_COUNT = 19; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 提早 4.1 秒，期待 jvm 偏差锁性能开启 Thread.sleep(4300); // 线程 1 中的锁全为偏差锁。Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {User lock = new User(); locks.add(lock); synchronized (lock) {System.out.println("线程 1 第" + (i + 1) + "把锁"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable()); System.out.println("\n *********************************** \n"); } } }, "线程 1"); t1.start(); // 等 t1 执行完 t1.join(); // 增加一个新线程，防止出现偏差锁的 id 反复的状况 // 我也不晓得为什么，只晓得这样能解决这样的问题 Thread tmp = new Thread(() -> {System.out.println(1); }, "tmp"); tmp.start(); new Thread(() -> {for (int i = 0; i < locks.size(); i++) {User lock = locks.get(i); synchronized (lock) {System.out.println("线程 2 第" + (i + 1) + "把锁"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable()); System.out.println("\n ==================================== \n"); } } }, "线程 2").start();} }> ** 当线程数量 THREAD_COUNT=19 时 **，第一个循环执行结束后，线程 list 中的 user 对象全副为偏差锁，偏差于线程 1。第二个线程执行结束后，list 中的 user 对象全副收缩成轻量锁。这里查看下第一次和第二次循环的局部输入  -
咱们测试另一种状况，把 THREAD_COUNT 改成 25 并执行它
> ** 当线程数量 THREAD_COUNT=25 时 **，第一个循环执行结束后，同上，list 中的 user 对象全副为偏差锁。第二个循环执行完后，前 19 把锁是轻量锁，从第 20 把锁开始，及其前面的所有的锁，都变成了偏差锁，从新偏差成了线程 2。 - 论断：
当同一类型的锁被同一个线程收缩轻量锁的次数达到了 20，那么会将后续的同一类型的锁对立重偏差到以后线程。
八、证实重 (chong) 轻量
- 持续援用第三章：证实偏差锁的图
咱们关注intx BiasedLockingBulkRevokeThreshold = 40配置。此配置阐明整个重轻量的阈值为 40。ok，阈值咱们晓得了，接下来阐明下什么叫做重轻量 - 重轻量概念：若同一类型的锁降级轻量锁的次数达到了 40，此时就会将前面的锁都批量撤销为无锁状态，并收缩到轻量锁
-
咱们新增如下代码并运行它：
public class ReLightweightLock {static List<User> locks = new ArrayList<>(); public static void main(String[] args) throws InterruptedException {System.out.println("Starting"); // 提早加载，让 jvm 开启偏差锁性能 Thread.sleep(4400);
Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 45; i++) {User lock = new User();
locks.add(lock);
synchronized (lock) {// 不做任何事，能够确定 45 把锁全副变成了偏差锁}
}
}, "t1");
t1.start();
t1.join();
// 打印第 43 把锁，曾经是偏差锁了
System.out.println("i = 42 \t" + ClassLayout.parseInstance(locks.get(42)).toPrintable());
// 创立一个新线程睡眠 2s，保障上面的代码先执行，保障重偏差时，不会呈现线程 ID 反复的状况
new Thread(() -> {
try {Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
}
}, "tmp1").start();
Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < locks.size(); i++) {User lock = locks.get(i);
synchronized (lock) {if (i == 10 || i == 21) {
// 输入第 11 和 22 个，看看别离是不是轻量锁和偏差锁
System.out.println("t2 i =" + i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
}
}
}
}, "t1");
t2.start();
t2.join();
// 查看第 11 把锁对象，看看是不是 20 之前的锁也被重偏差了 --> 后果证实，只会对 20 当前的锁重偏差
// 这里输入的是无锁状态，因为 i = 10 时，被线程 2 持有过，收缩成轻量锁了，而轻量锁在开释锁后会变成无锁状态
System.out.println("i = 10\t" + ClassLayout.parseInstance(locks.get(10)).toPrintable());
// 查看第 43 把锁对象，看看是不是被批量重偏差了 --> 后果证实：是的
System.out.println("i = 42\t" + ClassLayout.parseInstance(locks.get(42)).toPrintable());
// 创立一个新线程睡眠 2s，保障上面的代码先执行，保障重偏差时，不会呈现线程 ID 反复的状况
new Thread(() -> {
try {Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
}
}, "tmp2").start();
Thread t3 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < locks.size(); i++) {User lock = locks.get(i);
synchronized (lock) {if (i == 10 || i == 21 || i == 40) {
// 输入第 11 和 22 个，看看是不是都为轻量锁
// ---> 后果证实：都为轻量锁
// i == 10 为轻量锁，咱们都能了解，因为偏差锁被其余线程持有了，当然收缩为轻量锁了
// 可是 i == 21 不应该为偏差锁么？(超过了重偏差的阈值)
// ==> 这里不是重偏差了，因为 user 类型的锁降级为轻量锁的次数达到了 40(线程 2 降级了 20 次)，// 所以 jvm 间接做了重轻量的操作，把前面所有的锁都变成轻量锁了
// 所以 i == 21 应该是轻量锁
// i == 40 同样也是轻量锁
System.out.println("t3 i =" + i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
}
}
}
}, "t3");
t3.start();
t3.join();
// 此时是无锁状态，因为线程 3 进行批量重轻量了，而它开释了锁，所以是无锁状态
System.out.println("main i = 40 \t" + ClassLayout.parseInstance(locks.get(40)).toPrintable());
}
}
```
剖析后果在正文上曾经有了，能够依据正文信息和上面的运行后果来做比对
```txt
Starting
i = 42 com.eugene.basic.concurrency.objectheader.User object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 05 f8 a1 29 (00000101 11111000 10100001 00101001) (698480645)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
t2 i = 10 com.eugene.basic.concurrency.objectheader.User object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) e8 f5 69 2a (11101000 11110101 01101001 00101010) (711587304)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
t2 i = 21 com.eugene.basic.concurrency.objectheader.User object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 05 59 a8 29 (00000101 01011001 10101000 00101001) (698898693)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
i = 10 com.eugene.basic.concurrency.objectheader.User 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) 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
i = 42 com.eugene.basic.concurrency.objectheader.User object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 05 59 a8 29 (00000101 01011001 10101000 00101001) (698898693)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
t3 i = 10 com.eugene.basic.concurrency.objectheader.User object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) c8 ee 89 2a (11001000 11101110 10001001 00101010) (713682632)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
t3 i = 21 com.eugene.basic.concurrency.objectheader.User object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) c8 ee 89 2a (11001000 11101110 10001001 00101010) (713682632)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
t3 i = 40 com.eugene.basic.concurrency.objectheader.User object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) c8 ee 89 2a (11001000 11101110 10001001 00101010) (713682632)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
main i = 40 com.eugene.basic.concurrency.objectheader.User 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) 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
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
```九、证实分量锁
- 分量锁概念：多个线程存在强烈的竞争时，锁会收缩成分量锁，且不可逆！
-
典型案例：生产者消费者模型：
public class ValidSynchronized {static Object lock = new Object(); static volatile LinkedList<String> queue = new LinkedList<>(); public static void main(String[] args) throws InterruptedException {System.out.println("before lock"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable()); Consumer consumer = new Consumer(); Producer producer = new Producer(); consumer.start(); producer.start(); Thread.sleep(500); consumer.interrupt(); producer.interrupt(); // 睡眠 3s ==> 目标是为了让锁本人开释，避免在开释过程中打印锁的状态呈现分量锁的状况 Thread.sleep(3000); System.out.println("after lock"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable()); } } class Producer extends Thread { @Override public void run() {while (!isInterrupted()) {synchronized (ValidSynchronized.lock) {System.out.println("lock ing"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(ValidSynchronized.lock).toPrintable()); String message = UUID.randomUUID().toString(); System.out.println("生产者生产音讯：" + message); ValidSynchronized.queue.offer(message); try { // 生产者本人 wait，目标是开释锁 ValidSynchronized.lock.notify(); ValidSynchronized.lock.wait(); TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) {this.interrupt(); } } } } } class Consumer extends Thread { @Override public void run() {while (!isInterrupted()) {synchronized (ValidSynchronized.lock) {if (ValidSynchronized.queue.size() == 0) { try {ValidSynchronized.lock.wait(); ValidSynchronized.lock.notify();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace(); } } String message = ValidSynchronized.queue.pollLast(); System.out.println("消费者生产音讯：" + message); try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) {this.interrupt(); } } } } }运行后果：十、证实调用 wait 办法后，锁会降级为分量锁
-
运行如下代码：
public class ValidWait {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread.sleep(4100); final User user = new User(); System.out.println("before lock"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); Thread t1 = new Thread(() -> {synchronized (user) {System.out.println("lock ing"); System.out.println("before wait"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); try {user.wait(); System.out.println("after wait"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace(); } } }, "t1"); t1.start(); // 主线程睡眠 3s 后，唤醒 t1 线程 Thread.sleep(3000); System.out.println("主线程查看锁，变成了分量锁"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable()); } } -
运行后果如下
十一、总结
- 偏差锁和 hashcode 是互斥的，只能存在一个。
- jvm 默认对偏差锁性能是提早加载的，大略工夫为 4s 钟 ，能够增加 JVM 参数：
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0来设置延迟时间为 0。偏差锁的提早加载敞开后，基本上所有的锁都会为 可偏差状态，即 mark word 为 101，然而它还没有具体偏差的线程信息 - 偏差锁退出同步块后仍然也是偏差锁
- 重量级锁之所以分量就是因为状态不停的切换，最终映射到代码层面就是不停的调用操作系统函数 (最终会调用到 jvm 的
mutex类) - 调用锁对象的 wait 办法时，以后锁对象会立马降级为重量级锁
- 偏差锁只有被其余线程拿到了，此时偏差锁会收缩。收缩为 轻量锁
- 并发模块对应 github 地址：传送门
- I am a slow walker, but I never walk backwards.