Java synchronized偏向锁的核心原理详解

1. 偏向锁的核心原理

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。 Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现 这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有。

public class Main {
   static final Object obj = new Object();
   public static void main(String[] args) {
       Thread thread = new Thread(()->{
          m1();
       });
       thread.start();
   }
   public static void m1() {
       synchronized( obj ) {
           // 同步块 A
           m2();
       }
   }
   public static void m2() {
       synchronized( obj ) {
           // 同步块 B
           m3();
       }
   }
   public static void m3() {
       synchronized( obj ) {
           //偏向状态
           // 同步块 C
       }
   }
}

偏向锁的核心原理是：如果不存在线程竞争的一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向状态，此时Mark Word的结构变为偏向锁结构，锁对象的锁标志位（lock）被改为01，偏向标志位（biased_lock）被改为1，然后线程的ID记录在锁对象的Mark Word中（使用CAS操作完成）。以后该线程获取锁时判断一下线程ID和标志位，就可以直接进入同步块，连CAS操作都不需要，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提升了程序的性能。

偏向锁的主要作用是消除无竞争情况下的同步原语，进一步提升程序性能，所以，在没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果。但是，一旦有第二条线程需要竞争锁，那么偏向模式立即结束，进入轻量级锁的状态。

假如在大部分情况下同步块是没有竞争的，那么可以通过偏向来提高性能。即在无竞争时，之前获得锁的线程再次获得锁时会判断偏向锁的线程ID是否指向自己，如果是，那么该线程将不用再次获得锁，直接就可以进入同步块；如果未指向当前线程，当前线程就会采用CAS操作将Mark Word中的线程ID设置为当前线程ID，如果CAS操作成功，那么获取偏向锁成功，执行同步代码块，如果CAS操作失败，那么表示有竞争，抢锁线程被挂起，撤销占锁线程的偏向锁，然后将偏向锁膨胀为轻量级锁。

偏向锁的加锁过程为：新线程只需要判断内置锁对象的Mark Word中的线程ID是不是自己的ID，如果是就直接使用这个锁，而不使用CAS交换；如果不是，比如在第一次获得此锁时内置锁的线程ID为空，就使用CAS交换，新线程将自己的线程ID交换到内置锁的Mark Word中，如果交换成功，就加锁成功。

每执行一轮抢占，JVM内部都会比较内置锁的偏向线程ID与当前线程ID，如果匹配，就表明当前线程已经获得了偏向锁，当前线程可以快速进入临界区。所以，偏向锁的效率是非常高的。总之，偏向锁是针对一个线程而言的，线程获得锁之后就不会再有解锁等操作了，这样可以省略很多开销。

偏向锁的缺点：如果锁对象时常被多个线程竞争，偏向锁就是多余的，并且其撤销的过程会带来一些性能开销。

2. 偏向锁的撤销

假如有多个线程来竞争偏向锁，此对象锁已经有所偏向，其他的线程发现偏向锁并不是偏向自己，就说明存在了竞争，尝试撤销偏向锁（很可能引入安全点），然后膨胀到轻量级锁。

偏向锁撤销的开销花费还是挺大的，其大概过程如下：

(1) 在一个安全点停止拥有锁的线程。

(2) 遍历线程的栈帧，检查是否存在锁记录。如果存在锁记录，就需要清空锁记录，使其变成无锁状态，并修复锁记录指向的Mark Word，清除其线程ID。

(3) 将当前锁升级成轻量级锁。

(4) 唤醒当前线程。

所以，如果某些临界区存在两个及两个以上的线程竞争，那么偏向锁反而会降低性能。在这种情况下，可以在启动JVM时就把偏向锁的默认功能关闭。

撤销偏向锁的条件：

(1) 多个线程竞争偏向锁。

(2) 调用偏向锁对象的hashcode()方法或者System.identityHashCode()方法计算对象的HashCode之后，将哈希码放置到Mark Word中，内置锁变成无锁状态，偏向锁将被撤销。

3. 偏向锁的膨胀

如果偏向锁被占据，一旦有第二个线程争抢这个对象，因为偏向锁不会主动释放，所以第二个线程可以看到内置锁偏向状态，这时表明在这个对象锁上已经存在竞争了。JVM检查原来持有该对象锁的占有线程是否依然存活，如果挂了，就可以将对象变为无锁状态，然后进行重新偏向，偏向为抢锁线程。

如果JVM检查到原来的线程依然存活，就进一步检查占有线程的调用堆栈是否通过锁记录持有偏向锁。如果存在锁记录，就表明原来的线程还在使用偏向锁，发生锁竞争，撤销原来的偏向锁，将偏向锁膨胀（INFLATING）为轻量级锁。

4. 偏向锁的好处

经验表明，其实大部分情况下进入一个同步代码块的线程都是同一个线程。这也是JDK会引入偏向锁的原因。所以，总体来说，使用偏向锁带来的好处还是大于偏向锁撤销和膨胀所带来的代价。

来源：https://hengheng.blog.csdn.net/article/details/123178723