Java synchronized偏向锁的概念与使用

一、什么是偏向锁

HotSpot作者经过研究实践发现，在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低，引进了偏向锁。

偏向锁的“偏”，它的意思是锁会偏向于第一个获得它的线程，会在对象头（Mark Word中）存储锁偏向的线程ID，以后该线程进入和退出同步块时只需要检查是否为偏向锁、锁标志位以及ThreadID即可。

如下图是偏向锁对象头MarkWord布局：

二、偏向锁原理

偏向锁总是被第一个占用它的线程拥有，这个线程就是锁的偏向线程。在偏向锁的MarkWord中，就有一块区域用来记录偏向线程的ID，这个是在锁第一次被拥有的时候记录的。

因为记录了偏向线程ID，那么后续如果这个偏向线程进入和退出同步代码块的时候，就不需要再次加锁和解锁。

偏向锁再次进入同步代码块，是如何保证不需要再次加锁的？

偏向锁的线程会检查锁对象的MarkWord中是不是存放着自己的线程ID。

相等

表示偏向锁现在就是偏向当前线程的，无需再尝试获得锁。以后每次同步，都会检查锁的偏向线程ID与当前线程ID是否一致，一致就直接进入同步，省去了CAS去更新对象头的操作，提高了锁的性能。

不相等

表示偏向锁现在不是偏向当前线程的，此时发生了竞争，这时候当前线程就会尝试CAS去更新锁对象MarkWord中线程ID，尝试指定为自己的线程。此时也有两种情况：

1)、更新成功：表示已经将锁对象MarkWord中的线程ID替换为自己的线程ID，之前的线程可能刚好运行完，这时候锁重新偏向为当前线程，这种情况下，不会发生锁升级，锁仍然为偏向锁，只是偏向线程换成了另外一个线程；

2)、更新失败：表示之前的线程还在持有锁，那么当前线程只能一直CAS，当达到一定次数后，如果还没CAS成功，那么就会发生【偏向锁 -> 轻量级锁】的锁升级过程。

注意，偏向锁只有遇到其它线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动释放偏向锁的。

三、偏向锁演示

public class BiasedLockDemo01 {
    public static void main(String[] args) {
        Object objLock = new Object();
        new Thread(() -> {
            synchronized (objLock) {
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objLock).toPrintable());
            }
        }, "t1").start();
    }
}

如上我们看到，markword的倒数三位是000，根据前面的图，000表示的是轻量级锁，此时只有一个线程访问，为什么输出来的不是偏向锁标识101呢？

原因其实是偏向锁在Java 6之后是默认启用的，但在应用程序启动几秒钟（默认延迟4秒）之后才会激活，可以使用 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0参数关闭延迟，让其在程序启动时立刻启动。当然为了演示，也可以在程序中休眠5秒，等待偏向锁激活后。

下面我们添加运行时JVM参数，再次启动程序，观察内存布局：

可以看到关闭偏向锁延迟后，当前锁就是偏向锁了。

四、偏向锁的处理流程

当线程第一次访问同步块并获取锁时，偏向锁处理流程如下：

1)、虚拟机将会把对象头中的是否偏向锁标志位设为“1”，即偏向模式；

2)、使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中 ，如果CAS操作成功，持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机都可以不再进行任何同步操作，效率极高；

五、偏向锁的撤销

前面提到，大部分情况下，锁都是被同一个线程获取到，持有偏向锁的线程不会主动释放锁。那么大部分情况下，不会涉及到偏向锁的撤销，当有另外的线程尝试竞争偏向锁的时候，这个时候才会涉及偏向锁的撤销流程。

举个例子，有线程A、线程B两个线程竞争获取锁，锁大部分情况下都被线程A持有，此时锁偏向于线程A，这样线程A每次进入/退出同步代码块，都无需再次加锁，只需判断MarkWord中保存的线程ID是否等于自己的线程ID。

线程A不会主动释放偏向锁，当运行了一段时间后，突然线程B过来尝试竞争这个偏向锁了，此时持有偏向锁的线程A会发生偏向锁的撤销。

偏向锁的撤销需要等待全局安全点（这个时间点没有代码正在执行），同时会检查持有偏向锁的线程A是否还在执行：

1)、线程A还是同步代码块中运行：发生【偏向锁 -> 轻量级锁】的升级过程。此时轻量级锁由原持有偏向锁的线程A持有，继续执行其同步代码，而正在竞争的线程B会在外面CAS自旋等待获取这个轻量级锁。

2)、线程A刚好执行完成同步代码块：则会将对象头MarkWord设置为无锁状态并撤销偏向锁，然后锁重新偏向到线程B，注意，这里会修改MarkWord中线程ID保存为线程B的线程ID。

流程图大体如下：

六、偏向锁的好处

偏向锁是在只有一个线程执行同步块时进一步提高性能，适用于一个线程反复获得同一个锁的情况。偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能。它并不一定总是对程序运行有利，如果程序中大多数的锁总是被多个不同的线程访问比如线程池，那偏向模式就是多余的，反而会影响效率。

注意，在JDK15中，已经废弃偏向锁。目前还是使用JDK1.8居多，所以我们还是有必要了解一下偏向锁。