synchronized.md

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title: synchronized到底锁的什么？偏向锁、轻量级锁、重量级锁到底是什么？
shortTitle: synchronized的四种锁状态
description: Java中的每一个对象都可以作为一个锁，这是synchronized实现同步的基础。当我们调用一个用synchronized关键字修饰的方法时，我们需要获取这个方法所在对象的锁。只有获取了这个锁，才可以执行这个方法。如果锁已经被其他线程获取，那么就会进入阻塞状态，直到锁被释放。
category:
  - Java核心
tag:
  - Java并发编程
head:
  - - meta
    - name: keywords
      content: Java,并发编程,多线程,Thread,synchronized,偏向锁,轻量级锁,重量级锁,锁
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# 第十节：synchronized的四种锁状态

前面一节我们讲了 [synchronized 关键字的基本使用](https://javabetter.cn/thread/synchronized-1.html)，它能用来同步方法和代码块，那 synchronized 到底锁的是什么呢？随着 JDK 版本的升级，synchronized 又做出了哪些改变呢？“synchronized 性能很差”的谣言真的存在吗？

我想这是很多小伙伴感兴趣的。

首先需要明确的一点是：**Java 多线程的锁都是基于对象的**，Java 中的每一个对象都可以作为一个锁。

还有一点需要注意的是，我们常听到的**类锁**其实也是对象锁，[上一节](https://javabetter.cn/thread/synchronized-1.html)我们也讲到了，应该有不少小伙伴注意到了。

这里再多说几句吧。Class 对象是一种特殊的 Java 对象，代表了程序中的类和接口。Java 中的每个类型（包括类、接口、数组以及基础类型）在 JVM 中都有一个唯一的 Class 对象与之对应。这个 Class 对象被创建的时机是在 JVM 加载类时，由 JVM 自动完成。

Class 对象中包含了与类相关的很多信息，如类的名称、类的父类、类实现的接口、类的构造方法、类的方法、类的字段等等。这些信息通常被称为元数据（metadata）。

可以通过 Class 对象来获取类的元数据，甚至动态地创建类的实例、调用类的方法、访问类的字段等。这就是[Java 的反射（Reflection）机制](https://javabetter.cn/basic-extra-meal/fanshe.html)。

所以我们常说的类锁，其实就是 Class 对象的锁。

## 锁的基本用法

`synchronized` 翻译成中文就是“同步”的意思。

我们通常使用`synchronized`关键字来给一段代码或一个方法上锁，我们[上一节](https://javabetter.cn/thread/synchronized-1.html)已经讲过了，这里简单回顾一下，因为 synchronized 真的非常重要，面试常问，开发常用。它通常有以下三种形式：

```java
// 关键字在实例方法上，锁为当前实例
public synchronized void instanceLock() {
    // code
}

// 关键字在静态方法上，锁为当前Class对象
public static synchronized void classLock() {
    // code
}

// 关键字在代码块上，锁为括号里面的对象
public void blockLock() {
    Object o = new Object();
    synchronized (o) {
        // code
    }
}
```

这里介绍一下“临界区”的概念。所谓“临界区”，指的是某一块代码区域，它同一时刻只能由一个线程执行。在上面的例子中，如果`synchronized`关键字在方法上，那临界区就是整个方法内部。而如果是 synchronized 代码块，那临界区就指的是代码块内部的区域。

通过上面的例子我们可以看到，下面这两个写法其实是等价的作用：

```java
// 关键字在实例方法上，锁为当前实例
public synchronized void instanceLock() {
    // code
}

// 关键字在代码块上，锁为括号里面的对象
public void blockLock() {
    synchronized (this) {
        // code
    }
}
```

同理，下面这两个方法也应该是等价的：

```java
// 关键字在静态方法上，锁为当前Class对象
public static synchronized void classLock() {
    // code
}

// 关键字在代码块上，锁为括号里面的对象
public void blockLock() {
    synchronized (this.getClass()) {
        // code
    }
}
```

## 锁的四种状态及锁降级

在 JDK 1.6 以前，所有的锁都是”重量级“锁，因为使用的是操作系统的互斥锁，当一个线程持有锁时，其他试图进入synchronized块的线程将被阻塞，直到锁被释放。涉及到了线程上下文切换和用户态与内核态的切换，因此效率较低。

这也是为什么很多开发者会认为 synchronized 性能很差的原因。

那为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，JDK 1.6 引入了“偏向锁”和“轻量级锁” 的概念，对 synchronized 做了一次重大的升级，升级后的 synchronized 性能可以说上了一个新台阶。

在 JDK 1.6 及其以后，一个对象其实有四种锁状态，它们级别由低到高依次是：

1. 无锁状态
2. 偏向锁状态
3. 轻量级锁状态
4. 重量级锁状态

无锁就是没有对资源进行锁定，任何线程都可以尝试去修改它，很好理解。

几种锁会随着竞争情况逐渐升级，锁的升级很容易发生，但是锁降级发生的条件就比较苛刻了，锁降级发生在 [Stop The World](https://javabetter.cn/jvm/gc.html)（Java 垃圾回收中的一个重要概念，JVM 篇会细讲）期间，当 JVM 进入安全点的时候，会检查是否有闲置的锁，然后进行降级。

关于锁降级有一点需要说明：

不同于大部分文章说的锁不能降级，实际上 HotSpot JVM 是支持锁降级的，[这篇帖子](https://openjdk.org/jeps/8183909)里有一个很关键的论述，帖子是 R 大给出的。

> In its current implementation, monitor deflation is performed during every STW pause, while all Java threads are waiting at a safepoint. We have seen safepoint cleanup stalls up to 200ms on monitor-heavy-applications。

大致的意思就是重量级锁降级发生于 STW（Stop The World）阶段，降级对象为仅仅能被 VMThread 访问而没有其他 JavaThread 访问的对象。

各种锁的优缺点对比（来自《Java 并发编程的艺术》）：

| 锁       | 优点                                                               | 缺点                                             | 适用场景                             |
| -------- | ------------------------------------------------------------------ | ------------------------------------------------ | ------------------------------------ |
| 偏向锁   | 加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法比仅存在纳秒级的差距。 | 如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗。 | 适用于只有一个线程访问同步块场景。   |
| 轻量级锁 | 竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度。                         | 如果始终得不到锁竞争的线程使用自旋会消耗 CPU。   | 追求响应时间。同步块执行速度非常快。 |
| 重量级锁 | 线程竞争不使用自旋，不会消耗 CPU。                                 | 线程阻塞，响应时间缓慢。                         | 追求吞吐量。同步块执行时间较长。     |

## 对象的锁放在什么地方

前面我们提到，Java 的锁都是基于对象的。

首先我们来看看一个对象的“锁”是存放在什么地方的。

每个 Java 对象都有一个对象头。如果是非数组类型，则用 2 个字宽来存储对象头，如果是数组，则会用 3 个字宽来存储对象头。在 32 位处理器中，一个字宽是 32 位；在 64 位虚拟机中，一个字宽是 64 位。对象头的内容如下表所示：

| 长度     | 内容                   | 说明                           |
| -------- | ---------------------- | ------------------------------ |
| 32/64bit | Mark Word              | 存储对象的 hashCode 或锁信息等 |
| 32/64bit | Class Metadata Address | 存储到对象类型数据的指针       |
| 32/64bit | Array length           | 数组的长度（如果是数组）       |

我们主要来看看 Mark Word 的格式：

| 锁状态   | 29 bit 或 61 bit             | 1 bit 是否是偏向锁？       | 2 bit 锁标志位 |
| -------- | ---------------------------- | -------------------------- | -------------- |
| 无锁     |                              | 0                          | 01             |
| 偏向锁   | 线程 ID                      | 1                          | 01             |
| 轻量级锁 | 指向栈中锁记录的指针         | 此时这一位不用于标识偏向锁 | 00             |
| 重量级锁 | 指向互斥量（重量级锁）的指针 | 此时这一位不用于标识偏向锁 | 10             |
| GC 标记  |                              | 此时这一位不用于标识偏向锁 | 11             |

可以看到，当对象状态为偏向锁时，`Mark Word`存储的是偏向的线程 ID；当状态为轻量级锁时，`Mark Word`存储的是指向线程栈中`Lock Record`的指针；当状态为重量级锁时，`Mark Word`为指向堆中的 monitor（监视器）对象的指针。

>在 Java 中，监视器（monitor）是一种同步工具，用于保护共享数据，避免多线程并发访问导致数据不一致。在 Java 中，每个对象都有一个内置的监视器。

监视器包括两个重要部分，一个是锁，一个是等待/通知机制，后者是通过 Object 类中的`wait()`, `notify()`, `notifyAll()`等方法实现的（我们会在讲[Condition](https://javabetter.cn/thread/condition.html)和[生产者-消费者模式](https://javabetter.cn/thread/shengchanzhe-xiaofeizhe.html)）详细地讲。

下面分别介绍这几种锁以及它们之间是如何升级的。

## 偏向锁

Hotspot 的作者经过以往的研究发现大多数情况下**锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得**，于是引入了偏向锁。

偏向锁会偏向于第一个访问锁的线程，如果在接下来的运行过程中，该锁没有被其他的线程访问，则持有偏向锁的线程将永远不需要触发同步。也就是说，**偏向锁在资源无竞争情况下消除了同步语句**，连 [CAS](https://javabetter.cn/thread/cas.html)（后面会细讲，戳链接直达） 操作都不做了，着极大地提高了程序的运行性能。

大白话就是对锁设置个变量，如果发现为 true，代表资源无竞争，则无需再走各种加锁/解锁流程。如果为 false，代表存在其他线程竞争资源，那么就会走后面的流程。

### 偏向锁的实现原理

一个线程在第一次进入同步块时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程 ID。当下次该线程进入这个同步块时，会去检查锁的 Mark Word 里面是不是放的自己的线程 ID。

如果是，表明该线程已经获得了锁，以后该线程在进入和退出同步块时不需要花费 CAS 操作来加锁和解锁；如果不是，就代表有另一个线程来竞争这个偏向锁。这个时候会尝试使用 CAS 来替换 Mark Word 里面的线程 ID 为新线程的 ID，这个时候要分两种情况：

- 成功，表示之前的线程不存在了， Mark Word 里面的线程 ID 为新线程的 ID，锁不会升级，仍然为偏向锁；
- 失败，表示之前的线程仍然存在，那么暂停之前的线程，设置偏向锁标识为 0，并设置锁标志位为 00，升级为轻量级锁，会按照轻量级锁的方式进行竞争锁。

[CAS: Compare and Swap](https://javabetter.cn/thread/cas.html) 会在后面细讲，可戳链接直达，这里简单提一嘴。

CAS 是比较并设置的意思，用于在硬件层面上提供原子性操作。在 在某些处理器架构（如x86）中，比较并交换通过指令 CMPXCHG 实现（（Compare and Exchange），一种原子指令），通过比较是否和给定的数值一致，如果一致则修改，不一致则不修改。

线程竞争偏向锁的过程如下：

![](https://cdn.tobebetterjavaer.com/stutymore/synchronized-20230728110319.png)

图中涉及到了 lock record 指针指向当前堆栈中的最近一个 lock record，是轻量级锁按照先来先服务的模式进行了轻量级锁的加锁。

### 撤销偏向锁

偏向锁使用了一种**等到竞争出现才释放锁的机制**，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。

偏向锁升级成轻量级锁时，会暂停拥有偏向锁的线程，重置偏向锁标识，这个过程看起来容易，实则开销还是很大的，大概的过程如下：

1. 在一个安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行）停止拥有锁的线程。
2. 遍历线程栈，如果存在锁记录的话，需要修复锁记录和 Mark Word，使其变成无锁状态。
3. 唤醒被停止的线程，将当前锁升级成轻量级锁。

所以，如果应用程序里所有的锁通常处于竞争状态，那么偏向锁就会是一种累赘，对于这种情况，我们可以一开始就把偏向锁这个默认功能给关闭：

```java
-XX:UseBiasedLocking=false
```

下面这个经典的图总结了偏向锁的获得和撤销：

![](https://cdn.tobebetterjavaer.com/stutymore/synchronized-20230728112620.png)

## 轻量级锁

多个线程在不同时段获取同一把锁，即不存在锁竞争的情况，也就没有线程阻塞。针对这种情况，JVM 采用轻量级锁来避免线程的阻塞与唤醒。

JVM 会为每个线程在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，我们称为 Displaced Mark Word。如果一个线程获得锁的时候发现是轻量级锁，会把锁的 Mark Word 复制到自己的 Displaced Mark Word 里面。

然后线程尝试用 CAS 将锁的 Mark Word 替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示 Mark Word 已经被替换成了其他线程的锁记录，说明在与其它线程竞争锁，当前线程就尝试使用自旋来获取锁。

> 自旋：不断尝试去获取锁，一般用循环来实现。

自旋是需要消耗 CPU 的，如果一直获取不到锁的话，那该线程就一直处在自旋状态，白白浪费 CPU 资源。解决这个问题最简单的办法就是指定自旋的次数，例如让其循环 10 次，如果还没获取到锁就进入阻塞状态。

但是 JDK 采用了更聪明的方式——适应性自旋，简单来说就是线程如果自旋成功了，则下次自旋的次数会更多，如果自旋失败了，则自旋的次数就会减少。

自旋也不是一直进行下去的，如果自旋到一定程度（和 JVM、操作系统相关），依然没有获取到锁，称为自旋失败，那么这个线程会阻塞。同时这个锁就会**升级成重量级锁**。

### 轻量级锁的释放

在释放锁时，当前线程会使用 CAS 操作将 Displaced Mark Word 的内容复制回锁的 Mark Word 里面。如果没有发生竞争，那么这个复制的操作会成功。如果有其他线程因为自旋多次导致轻量级锁升级成了重量级锁，那么 CAS 操作会失败，此时会释放锁并唤醒被阻塞的线程。

一张图说明加锁和释放锁的过程：

![](https://cdn.tobebetterjavaer.com/stutymore/synchronized-20230728114101.png)

## 重量级锁

重量级锁依赖于操作系统的互斥锁（mutex，用于保证任何给定时间内，只有一个线程可以执行某一段特定的代码段） 实现，而操作系统中线程间状态的转换需要相对较长的时间，所以重量级锁效率很低，但被阻塞的线程不会消耗 CPU。

前面说到，每一个对象都可以当做一个锁，当多个线程同时请求某个对象锁时，对象锁会设置几种状态用来区分请求的线程：

- Contention List：所有请求锁的线程将被首先放置到该竞争队列
- Entry List：Contention List 中那些有资格成为候选人的线程被移到 Entry List
- Wait Set：那些调用 wait 方法被阻塞的线程被放置到 Wait Set
- OnDeck：任何时刻最多只能有一个线程正在竞争锁，该线程称为 OnDeck
- Owner：获得锁的线程称为 Owner
- !Owner：释放锁的线程

当一个线程尝试获得锁时，如果该锁已经被占用，则会将该线程封装成一个`ObjectWaiter`对象插入到 Contention List 队列的队首，然后调用`park` 方法挂起当前线程。

当线程释放锁时，会从 Contention List 或 EntryList 中挑选一个线程唤醒，被选中的线程叫做`Heir presumptive`即假定继承人，假定继承人被唤醒后会尝试获得锁，但`synchronized`是非公平的，所以假定继承人不一定能获得锁。

这是因为对于重量级锁，线程需要先自旋尝试获得锁，这样做的目的是为了减少执行操作系统同步操作带来的开销。如果自旋不成功再进入等待队列。这对那些已经在等待队列中的线程来说，稍微显得不公平，还有一个不公平的地方是自旋线程可能会抢占了 Ready 线程的锁。

如果线程获得锁后调用`Object.wait`方法，则会将线程加入到 WaitSet 中，当被`Object.notify`唤醒后，会将线程从 WaitSet 移动到 Contention List 或 EntryList 中去。需要注意的是，当调用一个锁对象的`wait`或`notify`方法时，**如当前锁的状态是偏向锁或轻量级锁则会先膨胀成重量级锁**。

## 锁的升级流程

每一个线程在准备获取共享资源时：
第一步，检查 MarkWord 里面是不是放的自己的 ThreadId ,如果是，表示当前线程是处于 “偏向锁” 。

第二步，如果 MarkWord 不是自己的 ThreadId，锁升级，这时候，用 CAS 来执行切换，新的线程根据 MarkWord 里面现有的 ThreadId，通知之前线程暂停，之前线程将 Markword 的内容置为空。

第三步，两个线程都把锁对象的 HashCode 复制到自己新建的用于存储锁的记录空间，接着开始通过 CAS 操作，
把锁对象的 MarKword 的内容修改为自己新建的记录空间的地址的方式竞争 MarkWord。

第四步，第三步中成功执行 CAS 的获得资源，失败的则进入自旋 。

第五步，自旋的线程在自旋过程中，成功获得资源(即之前获的资源的线程执行完成并释放了共享资源)，则整个状态依然处于 轻量级锁的状态，如果自旋失败 。

第六步，进入重量级锁的状态，这个时候，自旋的线程进行阻塞，等待之前线程执行完成并唤醒自己。

## 小结

- Java 中的每一个对象都可以作为一个锁，Java 中的锁都是基于对象的。
- synchronized 关键字可以用来修饰方法和代码块，它可以保证在同一时刻最多只有一个线程执行该段代码。
- synchronized 关键字在修饰方法时，锁为当前实例对象；在修饰静态方法时，锁为当前 Class 对象；在修饰代码块时，锁为括号里面的对象。
- Java 6 为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁“。在 Java 6 以前，所有的锁都是”重量级“锁。所以在 Java 6 及其以后，一个对象其实有四种锁状态，它们级别由低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态。
- 偏向锁会偏向于第一个访问锁的线程，如果在接下来的运行过程中，该锁没有被其他的线程访问，则持有偏向锁的线程将永远不需要触发同步。也就是说，偏向锁在资源无竞争情况下消除了同步语句，连 CAS 操作都不做了，提高了程序的运行性能。
- 轻量级锁是通过 CAS 操作和自旋来实现的，如果自旋失败，则会升级为重量级锁。
- 重量级锁依赖于操作系统的互斥量（mutex） 实现的，而操作系统中线程间状态的转换需要相对较长的时间，所以重量级锁效率很低，但被阻塞的线程不会消耗 CPU。

>编辑：沉默王二，原文内容来源于朋友小七萤火虫开源的这个仓库：[深入浅出 Java 多线程](http://concurrent.redspider.group/)，强烈推荐。

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