Java锁事之偏向锁

偏向锁

当只有一个线程多次重复抢占锁同一资源时,即使是轻量级锁每次也至少需要两次(加锁、解锁)CAS操作。而此场景经Hotspot统计是比较容易出现的。所以为了减少不必要的资源浪费,偏向锁应运而生。

优点

  • 只需要执行一次CAS即可获取锁
  • 采用延迟释放锁策略
  • 锁重入时,只需要判断mark_word.threadId(关于对象头的文章)是否为当前threadId即可

缺点

  • 总体上只针对第一个线程有效,新线程获取锁时,会导致锁膨胀
  • 锁膨胀时,会导致stop the world (STW)
  • 与原生hashcode()互斥,导致偏向锁并非适应于所有的instance

如何获取一把偏向锁

前提

  1. JVM偏向锁(-XX:+UseBiasedLocking)默认已开启
  2. 确认instance可用偏向锁可用,即mark word 锁状态标记位为 01

分支条件

匿名偏向

若instance处于匿名偏向状态(即初始状态,threadId为null),则执行CAS操作,将当前线程的id赋值到对象的mark word中,若成功则获取偏向锁成功,否则说明有多个线程竞争资源需要进行锁膨胀。

重偏向

即instance的Mark Word里的epoch与与klassOop.epoch标志位不一致时,表示此instance可被重偏向,此时新线程可以执行CAS操作进行锁抢占。

已偏向

即threadId已存在,且instance的epoch有效(与klassOop.epoch相等)此时instance处于已偏向状态。此时需比较当前threadId与mark_word.threadId的值,若相等,则可以继续占有锁,否则说存在资源竞争,需要进行锁膨胀。

锁膨胀过程

  1. 所有要竞争锁的线程到达安全区后,挂起对应线程。
  2. 遍历原锁持有线程的的调用栈的锁记录。将与被锁instance相关的锁记录改为轻量级锁相关的值。
  3. 更改被锁instance的Mark Word,将其指向最早的锁记录。
  4. 释放被挂起的相关线程。

偏向锁的骚操作

批量重偏向

Mark Word 里与偏向锁有关的信息除了threadId还有epoch,前面也提到epoch可以用来判断是否可以重偏向。那么他是如何实现的呢?

批量重偏向是针对两个线程串行共享instance资源场景(一个线程初始化instance传递给另一个线程)的优化。因为此时两个线程并不存在竞争,所以第二个线程可以继续使用偏向锁。

实现前提

Hotspot 通过在klassOop(可以理解为类的原型,其结构与instance一致)。里添加一个epoch字段,当一个Klass实例化instance一个时,便会以klassOop为原型初始化,epoch便被初始化在了instance的Mark Word中。

重偏向过程

  1. 当JVM执行到一个全局安全点的时候,挂起所有线程。
  2. 给KlassOop.epoch + 1.
  3. 给所有被偏向锁锁住的instance的Mark Word中的epoch + 1。或者采用启发式撤销偏向锁。
  4. 释放线程。

启发式撤销偏向

启发式撤销偏是针对重偏向的一种预防式优化。其逻辑很简单,通过设置一个阈值(k),一但epoch>k则执行撤销偏向锁操作,否者可以执行重偏向操作。

关于偏向锁的JVM参数

启用偏向锁

-XX:+UseBiasedLocking

偏向锁的延迟启动时间

偏向锁默认是在JVM启动4s后再初始化偏向锁,可用如下参数修改启动时间,设为0则表示立即启用。之所以这么设计是因为JVM启动的时候,如果立即启动偏向,有可能会因为线程竞争太激烈导致产生太多安全点挂起。
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0

参考

  1. https://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/biasedlocking-oopsla2006-preso-150106.pdf

  2. https://www.oracle.com/technetwork/java/biasedlocking-oopsla2006-wp-149958.pdf

  3. http://ds.cs.ut.ee/courses/course-files/lockOptimizationHotSpot.pdf

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