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源码分析Java虚拟机中锁膨胀的过程

Java 6 对 synchronized 锁做了多方面的优化，其中最主要的就是引入了偏向锁和轻量级锁。锁的获取次序依次是偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁。

这3种锁的膨胀过程都是在 JVM 源码中的 synchronizer.cpp 实现，具体路径：

jdk7u-hotspot/src/share/vm/runtime/synchronizer.cpp

synchronized 修饰的代码经过编译之后，会在代码前后插入 monitorenter 和 monitorexit 这两个指令。这两个指令会分别执行到源码的 InterpreterRuntime.cpp 中：

InterpreterRuntime::monitorenter(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem)
InterpreterRuntime::monitorexit(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem)

参数解释：

JavaThread指向java中的获取锁的当前线程
BasicObjectLockBasicObjectLock类型的elem对象内部包含一个BasicLock对象 _lock 和一个指向Object对象的指针 _obj

BasicObjectLock 结构如下图：

源码分析Java虚拟机中锁膨胀的过程

我们从 monitorenter 为入口，沿着偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁的膨胀过程来分析 synchronized 的实现过程。

monitorenter

源码如下：

源码分析Java虚拟机中锁膨胀的过程

图中标识 UseBiasedLocking 是判断JVM是否启动了偏向锁开关，如果打开则调用 fast_enter 获取 偏向锁 ；否则调用 slow_enter 获取 轻量级锁 。

偏向锁

获取偏向锁源码流程

获取偏向锁的操作是在 fast_enter 函数中实现，具体逻辑如下：

源码分析Java虚拟机中锁膨胀的过程

fast_enter 流程说明：

再次检查偏向锁是否开启
当处于不安全点时，调用 BiasedLocking的 revoke_and_rebias 函数来尝试获取偏向锁，如果成功则直接返回；如果失败则进入轻量级锁获取过程。这个函数具体实现是在 biasedLocking.cpp 文件中
如果偏向锁未开启，则进入 slow_enter获取轻量级锁的流程

revoke_and_rebias 部分实现逻辑如下：

源码分析Java虚拟机中锁膨胀的过程

解释说明：

通过markOop mark = obj -> mark() 获取对象的 markOop 数据mark，即对象头中的Mark Word
判断mark -> has_bias_pattern 判断所对象是否为可偏向状态，也就是 Mark Word 的偏向锁标志位为 1，锁标志位为 01
判断 Mark Word 中线程ID：如果为空，则进入步骤（4）；如果指向当前线程，说明是重入锁，直接执行同步代码块即可；如果指向其它线程，说明当前存在多个线程竞争锁，需要将其升级为轻量级锁
通过CAS原子指令设置Mark Word 中线程ID为当前线程ID，如果执行CAS成功，则执行同步代码块；否则说明存在多线程竞争锁，需要撤销偏向锁并升级为轻量级锁

获取偏向锁案例

通过工具JOL(Java Object Layout)可以查看Java对象在内存中的具体情况。比如以下代码：

源码分析Java虚拟机中锁膨胀的过程

调用 ClassLayout.parseInstance(testDemo) 方法，获取锁对象testDemo的内存情况，执行上述代码打印结果如下：

源码分析Java虚拟机中锁膨胀的过程

图中header的前8个字节按照平时习惯的从高位到低位的展示为：

00000000 00000000 00000000 00111001 10101110 11101101 00101111 00000 101

后3位分别代表是否偏向锁和锁标志位，分析图中结果如下：

加锁前： 101 虽然是 偏向锁 ，没有任何线程持有锁（也就是Mark Word中的线程ID为空）
加锁中： 101 表示 偏向锁 ，当前main线程拿到锁（也就是Mark Word中的线程ID指向main线程）
加锁后： 101 表示 偏向锁 ，表示当前锁对象依然是偏向锁状态（偏向锁退出锁后依然是偏向状态）

注意：在上述代码开始阶段，使用 sleep(5000) 睡眠5秒钟，是因为虚拟机在启动时会有4秒钟的偏向锁延迟，源码如下所示：

路径：openjdk/hotspot/src/share/vm/runtime/globals.hpp

BiasedLockingStartupDelay, 4000  //偏向锁延迟4000ms
product(intx, BiasedLockingStartupDelay, 4000,                            
        "Number of milliseconds to wait before enabling biased locking")  
        range(0, (intx)(max_jint-(max_jint%PeriodicTask::interval_gran))) 
        constraint(BiasedLockingStartupDelayFunc,AfterErgo)

轻量级锁