Synchronized升级过程

以下截图及相关信息，均来源于马士兵公开课中

锁升级的过程

锁升级过程图：

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锁升级过程：

new - 偏向锁 - 轻量级锁（无锁, 自旋锁，自适应自旋）- 重量级锁

synchronized优化的过程和markword息息相关；

用markword中最低的三位代表锁状态其中1位是偏向锁位两位是普通锁位

一、无锁态：

通过 new 关键字创建对象

二、偏向锁：

偏向锁由于有锁撤销的过程revoke，会消耗系统资源，所以，在锁争用特别激烈的时候，用偏向锁未必效率高。还不如直接使用轻量级锁。

升级过程：

当线程调用这个对象时，发现这个对象没有被任何线程使用，会把指向当前的线程的指针（JavaThread*）,放到对象头 markword 中，用于标记。锁升级为偏向锁。下次线程再次调用发现还是本线程的指针，无需再次上锁，直接调用。

markwork 存储值：

上偏向锁，指的就是，把markword的线程ID改为自己线程ID的过程；偏向锁不可重偏向批量偏向批量撤销

markword 上记录当前线程指针，下次同一个线程加锁的时候，不需要争用，只需要判断线程指针是否同一个，所以，偏向锁，偏向加锁的第一个线程。hashCode备份在线程栈上线程销毁，锁降级为无锁

三、轻量级锁：

升级原因：

当多个线程调用时，如果使用偏向锁，就会造成偏向锁不断的进行锁撤销和锁升级的操作，效率较低。

升级过程：

如果有线程竞争，撤销偏向锁，升级轻量级锁。线程在自己的线程栈生成LockRecord ，用CAS去争用markword的LR的指针，指针指向哪个线程的LR，哪个线程就拥有锁

线程抢夺锁：

每个线程都有自己的线程栈，在自己的线程栈生成一个自己的对象【Lock Record】；看谁能把自己的 Lock Record 贴到对象上，谁就拥有这把锁。抢的过程，通过自旋(CAS) 的方式抢夺，读取对象中的 Lock Record，并且判断是否可以修改，在回写本线程的Lock Record 指针到对象时，判断是不是自己取的那个值。

markwork 存储值：

线程在自己的线程栈生成LockRecord ，用CAS操作将markword设置为指向自己这个线程的LR的指针。

四、重量级锁

升级原因：

当自旋线程过多，执行线程占用时间又长。自旋会消耗大量CPU资源。不如升级为重量级锁，进入等待队列（不消耗CPU）-XX:PreBlockSpin

升级策略：

有线程超过10次自旋， -XX:PreBlockSpin，或者自旋线程数超过CPU核数的一半；
在1.6之后，加入自适应自旋 Adapative Self Spinning ， JVM自己控制

升级过程：

升级重量级锁 -> 向操作系统申请资源，获得 Linux mutex【锁】。CPU从3级【用户态】-0级系统调用【内核态】，线程挂起，进入等待队列，等待操作系统的调度，然后映射到用户空间。

markwork 存储值：

指向互斥量（重量级锁mutex ）的指针。

锁重入

sychronized是可重入锁

重入次数必须记录，因为要解锁几次必须得对应

偏向锁自旋锁 -> 线程栈 -> LR + 1

重量级锁 -> ? ObjectMonitor字段上

问题：

为什么有自旋锁还需要重量级锁？

自旋是消耗CPU资源的，如果锁的时间长，或者自旋线程多，CPU会被大量消耗

重量级锁有等待队列，所有拿不到锁的进入等待队列，不需要消耗CPU资源

偏向锁是否一定比自旋锁效率高？

不一定，在明确知道会有多线程竞争的情况下，偏向锁肯定会涉及锁撤销，这时候直接使用自旋锁

JVM启动过程，会有很多线程竞争（明确），所以默认情况启动时不打开偏向锁，过一段儿时间再打开

批量重偏向与批量撤销渊源：

从偏向锁的加锁解锁过程中可看出，当只有一个线程反复进入同步块时，偏向锁带来的性能开销基本可以忽略，但是当有其他线程尝试获得锁时，就需要等到safe point时，再将偏向锁撤销为无锁状态或升级为轻量级，会消耗一定的性能，所以在多线程竞争频繁的情况下，偏向锁不仅不能提高性能，还会导致性能下降。于是，就有了批量重偏向与批量撤销的机制。

原理以class为单位，为每个class维护解决场景批量重偏向（bulk rebias）机制是为了解决：一个线程创建了大量对象并执行了初始的同步操作，后来另一个线程也来将这些对象作为锁对象进行操作，这样会导致大量的偏向锁撤销操作。批量撤销（bulk revoke）机制是为了解决：在明显多线程竞争剧烈的场景下使用偏向锁是不合适的。

一个偏向锁撤销计数器，每一次该class的对象发生偏向撤销操作时，该计数器+1，当这个值达到重偏向阈值（默认20）时，JVM就认为该class的偏向锁有问题，因此会进行批量重偏向。每个class对象会有一个对应的epoch字段，每个处于偏向锁状态对象的Mark Word中也有该字段，其初始值为创建该对象时class中的epoch的值。每次发生批量重偏向时，就将该值+1，同时遍历JVM中所有线程的栈，找到该class所有正处于加锁状态的偏向锁，将其epoch字段改为新值。下次获得锁时，发现当前对象的epoch值和class的epoch不相等，那就算当前已经偏向了其他线程，也不会执行撤销操作，而是直接通过CAS操作将其Mark Word的Thread Id 改成当前线程Id。当达到重偏向阈值后，假设该class计数器继续增长，当其达到批量撤销的阈值后（默认40），JVM就认为该class的使用场景存在多线程竞争，会标记该class为不可偏向，之后，对于该class的锁，直接走轻量级锁的逻辑。

小知识：

整个程序的执行状态分为
- 用户态，内核态。内核态是非常核心的跟内核、硬件打交道的操作只有它能执行。【比如往网卡、显卡上写数据。】
分代年龄
- 一个对象被垃圾回收器回收一次，年龄会+1 ，年龄到达一定程度，这个对象会从 “年轻代” 升级到 ”老年代“。分代年龄在 JVM 里面是可以通过参数控制的，分代年龄两种默认值，第一种模式 15 ，PS+PO回收器；第二种模式 6 ，使用 cms 回收器。4 Bit最大值15。
synchronized
- 重量级锁，需要向操作系统申请，操作系统的锁个数是一定的。
偏向锁
- 更偏向于第一个调用它的线程。
- 默认开启，可以关闭。