Java

由 Java 15 废弃偏向锁，谈谈 Java Synchronized 的锁机制

Posted by Yano on December 5, 2020

Java 15 废弃偏向锁

JDK 15 已经在 2020 年 9 月 15 日发布，详情见 JDK 15 官方计划。其中有一项更新是废弃偏向锁，官方的详细说明在：JEP 374: Disable and Deprecate Biased Locking。

具体的说明见：JDK 15 已发布，你所要知道的都在这里！

当时为什么要引入偏向锁？

偏向锁是 HotSpot 虚拟机使用的一项优化技术，能够减少无竞争锁定时的开销。偏向锁的目的是假定 monitor 一直由某个特定线程持有，直到另一个线程尝试获取它，这样就可以避免获取 monitor 时执行 cas 的原子操作。monitor 首次锁定时偏向该线程，这样就可以避免同一对象的后续同步操作步骤需要原子指令。从历史上看，偏向锁使得 JVM 的性能得到了显著改善。

现在为什么又要废弃偏向锁？

但是过去看到的性能提升，在现在看来已经不那么明显了。受益于偏向锁的应用程序，往往是使用了早期 Java 集合 API 的程序（JDK 1.1），这些 API（Hasttable 和 Vector） 每次访问时都进行同步。JDK 1.2 引入了针对单线程场景的非同步集合（HashMap 和 ArrayList），JDK 1.5 针对多线程场景推出了性能更高的并发数据结构。这意味着如果代码更新为使用较新的类，由于不必要同步而受益于偏向锁的应用程序，可能会看到很大的性能提高。此外，围绕线程池队列和工作线程构建的应用程序，性能通常在禁用偏向锁的情况下变得更好。

偏向锁为同步系统引入了许多复杂的代码，并且对 HotSpot 的其他组件产生了影响。这种复杂性已经成为理解代码的障碍，也阻碍了对同步系统进行重构。因此，我们希望禁用、废弃并最终删除偏向锁。

思考

现在很多面试题都是讲述 CMS、G1 这些垃圾回收的原理，但是实际上官方在 Java 11 就已经推出了 ZGC，号称 GC 方向的未来。对于锁的原理，其实 Java 8 的知识也需要更新了，毕竟技术一直在迭代，还是要不断更新自己的知识……学无止境……

话说回来偏向锁产生的原因，很大程度上是 Java 一直在兼容以前的程序，即使到了 Java 15，以前的 Hasttable 和 Vector 这种老古董性能差的类库也不会删除。这样做的好处很明显，但是坏处也很明显，Java 要一直兼容这些代码，甚至影响 JVM 的实现。

本篇文章系统整理下 Java 的锁机制以及演进过程。

锁的发展过程

在 JDK 1.5 之前，Java 是依靠 Synchronized 关键字实现锁功能来做到这点的。Synchronized 是 JVM 实现的一种内置锁，锁的获取和释放是由 JVM 隐式实现。

到了 JDK 1.5 版本，并发包中新增了 Lock 接口来实现锁功能，它提供了与 Synchronized 关键字类似的同步功能，只是在使用时需要显示获取和释放锁。

Lock 同步锁是基于 Java 实现的，而 Synchronized 是基于底层操作系统的 Mutex Lock 实现的，每次获取和释放锁操作都会带来用户态和内核态的切换，从而增加系统性能开销。因此，在锁竞争激烈的情况下，Synchronized 同步锁在性能上就表现得非常糟糕，它也常被大家称为重量级锁。

特别是在单个线程重复申请锁的情况下，JDK1.5 版本的 Synchronized 锁性能要比 Lock 的性能差很多。

到了 JDK 1.6 版本之后，Java 对 Synchronized 同步锁做了充分的优化，甚至在某些场景下，它的性能已经超越了 Lock 同步锁。

Synchronized

说明：部分参考自 https://juejin.cn/post/6844903918653145102

Synchronized 的基础使用就不列举了，它可以修饰方法，也可以修饰代码块。

修饰方法

public synchronized void syncMethod() {
    System.out.println("syncMethod");
}

反编译的结果如下图所示，可以看到 syncMethod 方法的 flag 包含 ACC_SYNCHRONIZED 标志位。

修饰代码块

public void syncCode() {
    synchronized (SynchronizedTest.class) {
        System.out.println("syncCode");
    }
}

反编译的结果如下图所示，可以看到 syncCode 方法中包含 monitorenter 和 monitorexit 两个 JVM 指令。

JVM 同步指令分析

monitorenter

直接看官方的定义：

主要的意思是说：

每个对象都与一个 monitor 相关联。当且仅当 monitor 对象有一个所有者时才会被锁定。执行 monitorenter 的线程试图获得与 objectref 关联的 monitor 的所有权，如下所示：

  • 若与 objectref 相关联的 monitor 计数为 0，线程进入 monitor 并设置 monitor 计数为 1，这个线程成为这个 monitor 的拥有者。
  • 如果该线程已经拥有与 objectref 关联的 monitor，则该线程重新进入 monitor，并增加 monitor 的计数。
  • 如果另一个线程已经拥有与 objectref 关联的 monitor，则该线程将阻塞，直到 monitor 的计数为零，该线程才会再次尝试获得 monitor 的所有权。

monitorexit

直接看官方的定义：

主要的意思是说：

  • 执行 monitorexit 的线程必须是与 objectref 引用的实例相关联的 monitor 的所有者。
  • 线程将与 objectref 关联的 monitor 计数减一。如果计数为 0，则线程退出并释放这个 monitor。其他因为该 monitor 阻塞的线程可以尝试获取该 monitor。

ACC_SYNCHRONIZED

官方的定义

JVM 对于方法级别的同步是隐式的，是方法调用和返回值的一部分。同步方法在运行时常量池的 method_info 结构中由 ACC_SYNCHRONIZED 标志来区分，它由方法调用指令来检查。当调用设置了 ACC_SYNCHRONIZED 标志位的方法时，调用线程会获取 monitor，调用方法本身，再退出 monitor。

操作系统的管程（Monitor）

管程是一种在信号量机制上进行改进的并发编程模型。

管程模型

管程的组成如下：

  • 共享变量
  • 入口等待队列
  • 一个锁：控制整个管程代码的互斥访问
  • 0 个或多个条件变量：每个条件变量都包含一个自己的等待队列，以及相应的出/入队操作

ObjectMonitor

JVM 中的同步就是基于进入和退出管程（Monitor）对象实现的。每个对象实例都会有一个 Monitor，Monitor 可以和对象一起创建、销毁。Monitor 是由 ObjectMonitor 实现，而 ObjectMonitor 是由 C++ 的 ObjectMonitor.hpp 文件实现，如下所示：

ObjectMonitor() {
   _header = NULL;
   _count = 0; //记录个数
   _waiters = 0,
   _recursions = 0;
   _object = NULL;
   _owner = NULL;
   _WaitSet = NULL; //处于 wait 状态的线程，会被加入到_WaitSet
   _WaitSetLock = 0 ;
   _Responsible = NULL ;
   _succ = NULL ;
   _cxq = NULL ;
   FreeNext = NULL ;
   _EntryList = NULL ; //处于等待锁 block 状态的线程，会被加入到该列表
   _SpinFreq = 0 ;
   _SpinClock = 0 ;
   OwnerIsThread = 0 ;
}

本文使用的是 Java 11，其中有 sun.jvm.hotspot.runtime.ObjectMonitor 类，这个类有如下的初始化方法：

private static synchronized void initialize(TypeDataBase db) throws WrongTypeException {
    heap = VM.getVM().getObjectHeap();
    Type type  = db.lookupType("ObjectMonitor");
    sun.jvm.hotspot.types.Field f = type.getField("_header");
    headerFieldOffset = f.getOffset();
    f = type.getField("_object");
    objectFieldOffset = f.getOffset();
    f = type.getField("_owner");
    ownerFieldOffset = f.getOffset();
    f = type.getField("FreeNext");
    FreeNextFieldOffset = f.getOffset();
    countField  = type.getJIntField("_count");
    waitersField = type.getJIntField("_waiters");
    recursionsField = type.getCIntegerField("_recursions");
}

可以和 C++ 的 ObjectMonitor.hpp 的结构对应上，如果查看 initialize 方法的调用链，能够发现很多 JVM 的内部原理，本篇文章限于篇幅和内容原因，不去详细叙述了。

工作原理

Java Monitor 的工作原理如图：

当多个线程同时访问一段同步代码时，多个线程会先被存放在 EntryList 集合中，处于 block 状态的线程，都会被加入到该 列表。接下来当线程获取到对象的 Monitor 时，Monitor 是依靠底层操作系统的 Mutex Lock 来实现互斥的，线程申请 Mutex 成功，则持有该 Mutex，其它线程将无法获取到该 Mutex。

如果线程调用 wait() 方法，就会释放当前持有的 Mutex，并且该线程会进入 WaitSet 集合中，等待下一次被唤醒。如果当前线程顺利执行完方法，也将释放 Mutex。

Monitor 依赖于底层操作系统的实现，存在用户态和内核态的转换，所以增加了性能开销。但是程序中使用了 Synchronized 关键字，程序也不全会使用 Monitor，因为 JVM 对 Synchronized 的实现也有 3 种：偏向锁、轻量级锁、重量级锁。

锁升级

为了提升性能，JDK 1.6 引入了偏向锁（就是这个已经被 JDK 15 废弃了）、轻量级锁、重量级锁概念，来减少锁竞争带来的上下文切换，而正是新增的 Java 对象头实现了锁升级功能。

Java 对象头

那么 Java 对象头又是什么？在 JDK 1.6 中，对象实例分为：

  • 对象头
    • Mark Word
    • 指向类的指针
    • 数组长度
  • 实例数据
  • 对齐填充

其中 Mark Word 记录了对象和锁有关的信息，在 64 位 JVM 中的长度是 64 位，具体信息如下图所示：

偏向锁

为什么要有偏向锁呢？偏向锁主要用来优化同一线程多次申请同一个锁的竞争。可能大部分时间一个锁都是被一个线程持有和竞争。假如一个锁被线程 A 持有，后释放；接下来又被线程 A 持有、释放……如果使用 monitor，则每次都会发生用户态和内核态的切换，性能低下。

作用：当一个线程再次访问这个同步代码或方法时，该线程只需去对象头的 Mark Word 判断是否有偏向锁指向它的 ID，无需再进入 Monitor 去竞争对象了。当对象被当做同步锁并有一个线程抢到了锁时，锁标志位还是 01，“是否偏向锁”标志位设置为 1，并且记录抢到锁的线程 ID，表示进入偏向锁状态。

一旦出现其它线程竞争锁资源，偏向锁就会被撤销。撤销时机是在全局安全点，暂停持有该锁的线程，同时坚持该线程是否还在执行该方法。是则升级锁；不是则被其它线程抢占。

在高并发场景下，大量线程同时竞争同一个锁资源，偏向锁会被撤销，发生 stop the world后，开启偏向锁会带来更大的性能开销（这就是 Java 15 取消和禁用偏向锁的原因），可以通过添加 JVM 参数关闭偏向锁：

-XX:-UseBiasedLocking //关闭偏向锁（默认打开）

或

-XX:+UseHeavyMonitors  //设置重量级锁

轻量级锁

如果另一线程竞争锁，由于这个锁已经是偏向锁，则判断对象头的 Mark Word 的线程 ID 不是自己的线程 ID，就会进行 CAS 操作获取锁：

  • 成功，直接替换 Mark Word 中的线程 ID 为当前线程 ID，该锁会保持偏向锁。
  • 失败，标识锁有竞争，偏向锁会升级为轻量级锁。

轻量级锁的适用范围：线程交替执行同步块，大部分锁在整个同步周期内不存在同一时间的竞争。

那为什么会有轻量级锁呢？系统认为竞争存在，但是竞争的程度很低。轻量级锁状态下，线程可以稍微等待一下（自旋），并不需要像重量级锁那样创建 monitor 对象，也不需要待获取锁的线程从用户态进入内核态的转换，能够提高效率。

自旋锁与重量级锁

轻量级锁的 CAS 抢锁失败，线程会挂起阻塞。若正在持有锁的线程在很短的时间内释放锁，那么刚刚进入阻塞状态的线程又要重新申请锁资源。

如果线程持有锁的时间不长，则未获取到锁的线程可以不断尝试获取锁，避免线程被挂起阻塞。JDK 1.7 开始，自旋锁默认开启，自旋次数又 JVM 配置决定。

自旋锁重试之后如果抢锁依然失败，同步锁就会升级至重量级锁，锁标志位改为 10。在这个状态下，未抢到锁的线程都会进入 Monitor，之后会被阻塞在 _WaitSet 队列中。

在高负载、高并发的场景下，可以通过设置 JVM 参数来关闭自旋锁，优化性能：

-XX:-UseSpinning //参数关闭自旋锁优化（默认打开） 
-XX:PreBlockSpin //参数修改默认的自旋次数。JDK1.7 后，去掉此参数，由 jvm 控制

再深入分析

锁究竟锁的是什么呢？又是谁锁的呢？

当多个线程都要执行某个同步方法时，只有一个线程可以获取到锁，然后其余线程都在阻塞等待。所谓的“锁”动作，就是让其余的线程阻塞等待；那 Monitor 是何时生成的呢？我个人觉得应该是在多个线程同时请求的时候，生成重量级锁，一个对象才会跟一个 Monitor 相关联。

那其余的被阻塞的线程是在哪里记录的呢？就是在这个 Monitor 对象中，而这个 Monitor 对象就在对象头中。（如果不对，欢迎大家留言讨论~）

锁优化

Synchronized 只在 JDK 1.6 以前性能才很差，因为这之前的 JVM 实现都是重量级锁，直接调用 ObjectMonitor 的 enter 和 exit。从 JDK 1.6 开始，HotSpot 虚拟机就增加了上述所说的几种优化：

  • 偏向锁
  • 轻量级锁
  • 自旋锁

其余还有：

  • 适应性自旋
  • 锁消除
  • 锁粗化

锁消除

这属于编译器对锁的优化，JIT 编译器在动态编译同步块时，会使用逃逸分析技术，判断同步块的锁对象是否只能被一个对象访问，没有发布到其它线程。

如果确认没有“逃逸”，JIT 编译器就不会生成 Synchronized 对应的锁申请和释放的机器码，就消除了锁的使用。

锁粗化

JIT 编译器动态编译时，如果发现几个相邻的同步块使用的是同一个锁实例，那么 JIT 编译器将会把这几个同步块合并为一个大的同步块，从而避免一个线程“反复申请、释放同一个锁“所带来的性能开销。

减小锁粒度

我们在代码实现时，尽量减少锁粒度，也能够优化锁竞争。

总结

  • 其实现在 Synchronized 的性能并不差，偏向锁、轻量级锁并不会从用户态到内核态的切换；只有在竞争十分激烈的时候，才会升级到重量级锁。
  • Synchronized 的锁是由 JVM 实现的。
  • 偏向锁已经被废弃了。

参考

  1. https://juejin.cn/post/6844903918653145102#heading-13
  2. 极客时间：多线程之锁优化（上）：深入了解 Synchronized 同步锁的优化方法
  3. java 偏向锁、轻量级锁及重量级锁synchronized原理
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