Java Synchronized的偏向锁详细分析

上篇文章已经对Synchronized关键字做了初步的介绍，从字节码层面介绍了Synchronized关键字，最终字节码层面就是monitorenter和monitorexit字节码指令。并且拿Synchronized关键字和Java的JUC包下的ReentrantLock做了比较。Synchronized关键字的初体验-超链接地址

那么本篇文章将开始深入解析Synchronized关键字的底层原理，也就是解析Hotspot虚拟机对monitorenter和monitorexit字节码指令的实现原理。

理论知识

相信各位读者在准备面试中，都会背到关于Synchronized关键字的面试题，什么对象头、锁标志位、偏向锁、轻量级锁、重量级锁，锁升级的过程等等面试题。而对于一些不仅仅只想漂浮于表面的读者来说，去看Synchronized底层源码，只能说是一头雾水。所以笔者有考虑这方面，所以理论知识（给临时抱佛脚背理论的读者）和底层源码（给喜欢研究底层源码的读者）都会在这个系列中。

偏向锁存在的意义：

先从字面意思来解释，偏向于某个线程，是不是可以理解为偏向的这个线程获取锁都很效率呢？那么为什么要存在偏向锁呢？读者需要明白，任何框架存在的意义不仅仅是为了某一部分场景，肯定需要适配大部分场景，而Synchronized关键字使用的场景可能并发高，可能并发低，可能几乎不存在并发，所以实现者需要帮用户去适配不同的场景，达到效率最高化。而对于几乎不存在并发的场景，是不是可以理解为几乎只有一个线程拿到Synchronized锁，所以就存在偏向锁去优化这种场景，不让所有场景都去走很复杂的逻辑。

偏向锁实现的流程：

拿到锁竞争对象
从当前线程栈中获取到一个没有使用的BasicObjectLock（用于记录锁状态）
查看当前是否开启了偏向锁模式
查看当前偏向锁是否偏向的是当前线程，如果偏向的是当前线程，直接退出（可以理解成命中缓存）
查看当前是否已经锁升级了，并且尝试撤销偏向锁（想象一下并发过程中，可能其他线程已经完成了锁对象的锁升级）
当前epoch是否发生了改变，如果发生了改变，当前线程可以尝试获取偏向锁，尝试成功直接退出
当前是否是匿名偏向，或者已经偏向于某个线程，但是不是当前线程，此时可以尝试获取锁，获取成功直接退出
如果不支持偏向锁或者第5步的撤销偏向锁失败了，此时尝试膨胀成轻量级锁，如果轻量级锁膨胀失败了就继续往上锁膨胀

流程图如下（仅只有偏向锁逻辑）

源码论证

首先，我们先需要知道Synchronized底层源码的入口在哪里，在字节码层面表示为monitorenter和monitorexit字节码指令，而我们知道JVM是负责执行字节码，最终转换成不同CPU平台的ISA指令集（也称之为跨平台）。而JVM执行字节码分为

CPP解释执行
模板解释执行（汇编）
JIT编译执行

一级一级的优化，而最根本是CPP解释执行，后者都是基于CPP解释执行的不断优化，后者的难度极大，所以读者弄明白CPP解释执行就即可。

在Hotspot源码中，CPP解释执行的入口在bytecodeInterpreter.cpp文件（这里要注意，JDK1.8不同版本对synchronized关键字实现有区别，所以本文选的是jdk8u40版本，其他版本可能没有偏向锁等等逻辑）

首先，读者明白，使用Synchronized关键字时需要一个锁对象，而底层就是操作这个锁对象的对象头，所以我们先从markOop.hpp文件中找到对象头的描述信息，是不是跟外面8股文描述的一模一样呢😏

对象头熟悉以后，源码中就是操作对象头，不同的锁状态设置不同对象头，用对象头来表示不同的锁状态，替换对象头的原子性依靠CAS来保证。如果存在并发，那么CAS竞争失败的线程就会往下走，一步一步的锁升级，反而如果没有竞争那就默认使用偏向锁。

下面是Hotspot中C++解释器对于monitorenter字节码指令的解释执行源码（注释特别详细）。

CASE(_monitorenter): {
        // 拿到锁对象
        oop lockee = STACK_OBJECT(-1);
        // derefing's lockee ought to provoke implicit null check
        CHECK_NULL(lockee);
        // find a free monitor or one already allocated for this object
        // if we find a matching object then we need a new monitor
        // since this is recursive enter
        // 从当前线程栈中找到一个没有被使用的BasicObjectLock
        // 作用：用来记录锁状态
        BasicObjectLock* limit = istate->monitor_base();
        BasicObjectLock* most_recent = (BasicObjectLock*) istate->stack_base();
        BasicObjectLock* entry = NULL;
        while (most_recent != limit ) {
          if (most_recent->obj() == NULL) entry = most_recent;
          else if (most_recent->obj() == lockee) break;
          most_recent++;
        }
        if (entry != NULL) {
          // 抢坑，为什么这里不需要CAS，因为属于线程栈（线程变量），线程安全。
          entry->set_obj(lockee);
          int success = false;
          // 得到epoch的掩码。
          uintptr_t epoch_mask_in_place = (uintptr_t)markOopDesc::epoch_mask_in_place;
          // 得到当前锁对象的对象头。
          markOop mark = lockee->mark();
          intptr_t hash = (intptr_t) markOopDesc::no_hash;
          // implies UseBiasedLocking
          // 当前是偏向锁模式，可以用JVM参数UseBiasedLocking控制
          if (mark->has_bias_pattern()) {
            uintptr_t thread_ident;
            uintptr_t anticipated_bias_locking_value;
            thread_ident = (uintptr_t)istate->thread();
            // lockee->klass()->prototype_header() 是否拿到对象的类模板的头部信息。
            // lockee->klass()->prototype_header() | thread_ident) 是类模板头部信息组合上线程id
            // mark 是当前锁对象的头部信息。
            // markOopDesc::age_mask_in_place 是当前对象的年龄信息。
            // 所以与年龄无关
            // 所以拿锁对象的原型对象的对象头控制
            // lockee->klass()->prototype_header() | thread_ident) ^ (uintptr_t)mark 如果为0 代表当前对象头偏向锁偏向了当前线程
            anticipated_bias_locking_value =
              (((uintptr_t)lockee->klass()->prototype_header() | thread_ident) ^ (uintptr_t)mark) &
              ~((uintptr_t) markOopDesc::age_mask_in_place);
            // 等于0代表当前锁对象头部和类模板头部一样。
            // 所以这是一次偏向锁的命中。
            if  (anticipated_bias_locking_value == 0) {
              // already biased towards this thread, nothing to do
              if (PrintBiasedLockingStatistics) {
                (* BiasedLocking::biased_lock_entry_count_addr())++;
              }
              success = true;
            }
            // 当前对象头已经膨胀成轻量级或者重量级锁了。也即非偏向锁。
            else if ((anticipated_bias_locking_value & markOopDesc::biased_lock_mask_in_place) != 0) {
              // try revoke bias
              // 尝试撤销偏向锁
              markOop header = lockee->klass()->prototype_header();
              if (hash != markOopDesc::no_hash) {
                header = header->copy_set_hash(hash);
              }
              // CAS尝试取消偏向
              if (Atomic::cmpxchg_ptr(header, lockee->mark_addr(), mark) == mark) {
                if (PrintBiasedLockingStatistics)
                  (*BiasedLocking::revoked_lock_entry_count_addr())++;
              }
            }
            // 来到这里可能表示当前偏向于其他线程。
            // 而epoch发生了变动，表示批量撤销偏向锁了。
            // 当前线程可以尝试争抢一次偏向锁，没有成功就去锁升级
            else if ((anticipated_bias_locking_value & epoch_mask_in_place) !=0) {
              // try rebias
              // 尝试重偏向
              markOop new_header = (markOop) ( (intptr_t) lockee->klass()->prototype_header() | thread_ident);
              if (hash != markOopDesc::no_hash) {
                new_header = new_header->copy_set_hash(hash);
              }
              // CAS竞争，重偏向。
              if (Atomic::cmpxchg_ptr((void*)new_header, lockee->mark_addr(), mark) == mark) {
                if (PrintBiasedLockingStatistics)
                  (* BiasedLocking::rebiased_lock_entry_count_addr())++;
              }
              // CAS失败，锁升级
              else {
                  // 锁升级逻辑
                CALL_VM(InterpreterRuntime::monitorenter(THREAD, entry), handle_exception);
              }
              success = true;
            }
            // 来到这里表示，当前是匿名偏向锁（也即暂时还没有线程占用）
            // 或者是已经偏向了某个线程，所以这里CAS尝试一次
            else {
              // try to bias towards thread in case object is anonymously biased
              markOop header = (markOop) ((uintptr_t) mark & ((uintptr_t)markOopDesc::biased_lock_mask_in_place |
                                                              (uintptr_t)markOopDesc::age_mask_in_place |
                                                              epoch_mask_in_place));
              if (hash != markOopDesc::no_hash) {
                header = header->copy_set_hash(hash);
              }
              markOop new_header = (markOop) ((uintptr_t) header | thread_ident);
              // debugging hint
              DEBUG_ONLY(entry->lock()->set_displaced_header((markOop) (uintptr_t) 0xdeaddead);)
              // 如果是匿名偏向，这个CAS就有可能成功
              // 如果是已经偏向其他线程，这个CAS不能成功，直接往锁升级走
              if (Atomic::cmpxchg_ptr((void*)new_header, lockee->mark_addr(), header) == header) {
                if (PrintBiasedLockingStatistics)
                  (* BiasedLocking::anonymously_biased_lock_entry_count_addr())++;
              }
              // cas失败
              else {
                  // 锁升级逻辑
                CALL_VM(InterpreterRuntime::monitorenter(THREAD, entry), handle_exception);
              }
              success = true;
            }
          }
          // traditional lightweight locking
          // case1:如果当前已经锁升级了
          // case2:如果当前不支持偏向锁
          if (!success) {
            markOop displaced = lockee->mark()->set_unlocked();
            entry->lock()->set_displaced_header(displaced);
            bool call_vm = UseHeavyMonitors;
            // UseHeavyMonitors是JVM参数，是否直接开启重量级锁
            // 如果不直接开启，就CAS竞争轻量级锁，竞争成功就直接返回
            if (call_vm || Atomic::cmpxchg_ptr(entry, lockee->mark_addr(), displaced) != displaced) {
              // Is it simple recursive case?
              // CAS失败可能是锁重入，如果不是锁重入，那么就是竞争失败要往锁升级逻辑走了。
              if (!call_vm && THREAD->is_lock_owned((address) displaced->clear_lock_bits())) {
                  // 轻量级锁的锁重入
                entry->lock()->set_displaced_header(NULL);
              } else {
                  // 锁升级逻辑
                CALL_VM(InterpreterRuntime::monitorenter(THREAD, entry), handle_exception);
              }
            }
          }
          UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE(1, -1);
        } else {
          istate->set_msg(more_monitors);
          UPDATE_PC_AND_RETURN(0); // Re-execute
        }
      }

要明白偏向锁对应的对象头的几个部分的意义，然后带入到源码中就比较容易理解。

线程对象：偏向于那个线程（当没有线程对象时，就代表是匿名偏向，此时线程都可以去竞争）
epoch：是否发生了批量锁撤销（为什么要锁撤销？因为偏向锁升级为轻量级锁就需要撤销）
偏向锁标志位：0表示无锁，1表示偏向锁（偏向锁和无锁的锁标志位都是01）
锁标志位：表示不同锁状态，偏向锁表示为01（要注意无锁也是表示为01，所以需要额外的偏向锁标志位来区分是无锁还是偏向锁）

总结

可能源码部分一直是一个难点，操作的内容太多了，并且还是C++实现的。但是从对象头的角度去分析理解还是很有帮助。

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