JVM系列之:对象的锁状态和同步

简介

锁和同步是java多线程编程中非常常见的使用场景。为了锁定多线程共享的对象,Java需要提供一定的机制来实现共享对象的锁定,从而保证一次只有一个线程能够作用于共享对象。当第二个线程进入同一个区域的时候,必须等待第一个线程解锁该对象。

JVM是怎么做到的呢?为了实现这个功能,java对象又需要具备什么样的结构呢?快来一起看看吧。

java对象头

Java的锁状态其实可以分为三种,分别是偏向锁,轻量级锁和重量级锁。

在Java HotSpot VM中,每个对象前面都有一个class指针和一个Mark Word。 Mark Word存储了哈希值以及分代年龄和标记位等,通过这些值的变化,JVM可以实现对java对象的不同程度的锁定。

还记得我们之前分享java对象的那张图吗?

javaObject对象的对象头大小根据你使用的是32位还是64位的虚拟机的不同,稍有变化。这里我们使用的是64位的虚拟机为例。

Object的对象头,分为两部分,第一部分是Mark Word,用来存储对象的运行时数据比如:hashcode,GC分代年龄,锁状态,持有锁信息,偏向锁的thread ID等等。

在64位的虚拟机中,Mark Word是64bits,如果是在32位的虚拟机中Mark Word是32bits。

第二部分就是Klass Word,Klass Word是一个类型指针,指向class的元数据,JVM通过Klass Word来判断该对象是哪个class的实例。

我们可以看到对象头中的Mark Word根据状态的不同,存储的是不同的内容。

其中锁标记的值分别是:无锁=001,偏向锁=101,轻量级锁=000,重量级锁=010。

java中锁状态的变化

为什么java中的锁有三种状态呢?其本质原因是为了提升锁的效率,因为不同情况下,锁的力度是不一样的。

通过设置不同的锁的状态,从而可以不同的情况用不同的处理方式。

下图是java中的锁状态的变化图:

上面的图基本上列出了java中锁状态的整个生命周期。接下来我们一个一个的讲解。

偏向锁biased locking

一般来说,一个对象被一个线程获得锁之后,很少发生线程切换的情况。也就是说大部分情况下,一个对象只是被一个对象锁定的。

那么这个时候我们可以通过设置Mark word的一定结构,减少使用CAS来更新对象头的频率。

为了实现这样的目标,我们看下偏向锁的Mark word的结构:

当偏向线程第一次进入同步块的时候,会去判断偏向锁的状态和thread ID,如果偏向锁状态是1,并且thread ID是空的话,将会使用CAS命令来更新对象的Mark word。

设置是否偏向锁=1,锁标记=01,线程ID设置为当前锁定该对象的线程。

下一次该对象进入同步块的时候,会先去判断锁定的线程ID和当前线程ID是否相等,如果相等的话则不需要执行CAS命令,直接进入同步块。

如果这个时候有第二个线程想访问该对象的同步块,因为当前对象头的thread ID是第一个线程的ID,跟第二个线程的ID不同。

如果这个时候线程1的同步块已经执行完毕,那么需要解除偏向锁的锁定。

解除锁定很简单,就是将线程ID设置为空,并且将偏向锁的标志位设为0,

如果这个时候线程1的同步块还在执行,那么需要将偏向锁升级为轻量级锁。

轻量级锁thin lock

先看下轻量级锁的结构:

可以看到Mark word中存放的是栈中锁记录的指针和锁的标记=00。

如果对象现在处于未加锁状态,当一个线程尝试进入同步块的时候,会将把对象头和当前对象的指针拷贝一份,放在线程的栈中一个叫做lock record的地方。

然后JVM通过CAS操作,将对象头中的指针指向刚刚拷贝的lock record。如果成功,则该线程拥有该对象的锁。

实际上Lock Record和Mark word形成了一个互相指向对方的情况。

下次这个线程再次进入同步块的时候,同样执行CAS,比较Mark word中的指针是否和当前thread的lock record地址一致,如果一致表明是同一个线程,可以继续持有该锁。

如果这个时候有第二个线程,也想进入该对象的同步块,也会执行CAS操作,很明显会失败,因为对象头中的指针和lock record的地址不一样。

这个时候第二个线程就会自旋等待。

那么第一个线程什么时候会释放锁呢?

轻量级锁在线程退出同步块的时候,同样需要执行CAS命令,将锁标记从00替换成01,也就是无锁状态。

重量级锁

如果第二个线程自旋时间太久,就会将锁标记替换成10(重量级锁),并且设置重量级锁的指针,指向第二个线程,然后进入阻塞状态。

当第一个线程退出同步块的时候,执行CAS命令就会出错,这时候第一个线程就知道锁已经膨胀成为重量级锁了。

第一个线程就会释放锁,并且唤醒等待的第二个线程。

第二个线程被唤醒之后,重新争夺锁。

我们看下重量级锁的结构:

三种锁状态的不同

偏向锁,轻量级锁和重量级锁到底有什么不同了?

这里总结一下,偏向锁下次进入的时候不需要执行CAS命令,只做线程ID的比较即可。

轻量级锁进入和退出同步块都需要执行CAS命令,但是轻量级锁不会阻塞,它使用的是自旋命令来获取锁。

重量级锁不使用自旋,但是会阻塞线程。

好了,小伙伴们对于锁的状态变化有什么疑问吗?欢迎留言。

本文作者:flydean程序那些事

本文链接:http://www.flydean.com/jvm-object-lock-synchronization/

本文来源:flydean的博客

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