Java对象头Mark Word的深度定制：利用偏向锁/轻量级锁解决高竞争问题

大家好，今天我们深入探讨Java对象头的Mark Word，以及如何利用偏向锁和轻量级锁来优化高竞争场景下的性能。Mark Word是Java对象头中非常关键的一部分，它记录了对象的锁状态、GC信息、哈希值等重要数据。理解Mark Word的结构以及锁的升级过程，对于编写高性能的并发程序至关重要。

1. 对象头与Mark Word

在HotSpot虚拟机中，Java对象在内存中的布局通常由三个部分组成：对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。对象头包含了Mark Word和Klass Pointer。Klass Pointer指向描述对象类型的Class对象，而Mark Word则存储了与对象自身密切相关的信息，例如哈希值、GC分代年龄、锁状态标志等等。

Mark Word的结构并非固定不变，而是会根据对象的锁状态而动态变化。在32位和64位JVM中，Mark Word的长度分别是4字节和8字节。下面分别展示了在不同锁状态下，64位JVM中Mark Word的结构：

1.1 无锁状态(Normal)

字段	大小(bit)	描述
unused	25	未使用，可以用于存储其他信息，例如epoch
identity_hashcode	31	对象的哈希值，调用hashCode()方法时生成
unused	1
age	4	GC分代年龄
biased_lock	1	偏向锁标志，0表示未启用偏向锁
lock	2	锁标志位，01表示无锁状态

1.2 偏向锁状态(Biased)

字段	大小(bit)	描述
thread	54	持有偏向锁的线程ID
epoch	2	偏向时间戳，用于撤销偏向锁
age	4	GC分代年龄
biased_lock	1	偏向锁标志，1表示启用偏向锁
lock	2	锁标志位，01表示偏向锁状态

1.3 轻量级锁状态(Lightweight Locked)

字段	大小(bit)	描述
ptr_to_lock_record	62	指向Lock Record的指针，Lock Record位于线程栈帧中
lock	2	锁标志位，00表示轻量级锁状态

1.4 重量级锁状态(Heavyweight Locked)

字段	大小(bit)	描述
ptr_to_monitor	62	指向Monitor对象的指针，Monitor由操作系统提供
lock	2	锁标志位，10表示重量级锁状态

1.5 GC标记(Marked for GC)

字段	大小(bit)	描述
unused	62
lock	2	锁标志位，11表示GC标记状态

理解Mark Word的结构是理解锁升级机制的基础。

2. 锁的升级机制：偏向锁、轻量级锁和重量级锁

Java中的锁并非一成不变，而是存在一个升级的过程，以适应不同的竞争情况。这个过程通常是：无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁。这种锁升级的设计思想是为了在不同的并发场景下，尽可能地减少锁带来的性能开销。

2.1 偏向锁(Biased Locking)

偏向锁的设计目标是针对只有一个线程访问同步代码块的情况进行优化。当一个线程访问一个同步代码块并获取锁时，会在对象头的Mark Word中记录该线程的ID。以后该线程再次进入这个同步代码块时，不需要进行任何同步操作，直接可以进入。只有当另一个线程尝试获取这个锁时，偏向锁才会失效，升级为轻量级锁。

适用场景: 单线程访问同步块的场景。例如，单线程创建并使用的对象，或者在线程本地存储中使用的对象。
优点: 避免了不必要的CAS操作和同步开销。
缺点: 如果存在多个线程竞争，偏向锁会带来额外的锁撤销开销。

public class BiasedLockExample {

    static Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 延迟启动，给JVM充分时间开启偏向锁
        Thread.sleep(5000);

        Runnable runnable = () -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " entered synchronized block");
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " exited synchronized block");
            }
        };

        Thread t1 = new Thread(runnable, "Thread-1");
        Thread t2 = new Thread(runnable, "Thread-2");

        t1.start();
        Thread.sleep(10); // 确保t1先获取锁
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();
    }
}

在这个例子中，如果启用了偏向锁(默认启用)，Thread-1首次获取lock对象的锁时，lock对象的Mark Word会被设置为偏向模式，并记录Thread-1的ID。当Thread-1再次进入synchronized块时，无需任何同步操作。而当Thread-2尝试获取锁时，偏向锁会失效，升级为轻量级锁(或重量级锁，取决于具体情况)。

可以使用-XX:+PrintFlagsFinal查看UseBiasedLocking参数是否开启。默认情况下，该参数是开启的。还可以使用-XX:BiasedLockingStartupDelay来设置偏向锁的启动延迟，以避免JVM启动时的竞争导致偏向锁失效。

2.2 轻量级锁(Lightweight Locking)

轻量级锁的设计目标是减少重量级锁带来的性能开销。当多个线程竞争一个锁时，但竞争程度不高，即线程持有锁的时间很短，那么可以使用轻量级锁。

轻量级锁的实现方式是CAS(Compare and Swap)。当一个线程尝试获取锁时，会在当前线程的栈帧中创建一个Lock Record，并将对象头的Mark Word复制到Lock Record中。然后，线程尝试使用CAS操作将对象头的Mark Word替换为指向Lock Record的指针。

如果CAS操作成功，则线程获取锁。
如果CAS操作失败，说明已经有其他线程持有了锁，当前线程会尝试自旋等待。自旋是指线程不断地尝试CAS操作，而不是立即进入阻塞状态。

如果自旋超过一定的次数，或者持有锁的线程释放了锁，当前线程会重新尝试CAS操作。如果仍然失败，轻量级锁会升级为重量级锁。

适用场景: 多个线程竞争，但竞争程度不高，即线程持有锁的时间很短的场景。
优点: 减少了重量级锁带来的线程阻塞和唤醒的开销。
缺点: 如果竞争激烈，自旋会消耗大量的CPU资源。

public class LightweightLockExample {

    static Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable runnable = () -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " entered synchronized block");
                try {
                    Thread.sleep(10); // 模拟持有锁的时间
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " exited synchronized block");
            }
        };

        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads[i] = new Thread(runnable, "Thread-" + i);
            threads[i].start();
        }

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads[i].join();
        }
    }
}

在这个例子中，10个线程同时竞争lock对象。由于线程持有锁的时间很短(10ms)，轻量级锁更有可能发挥作用。线程会尝试使用CAS操作获取锁，如果CAS失败，会进行自旋等待。

可以使用-XX:+UseSpinning参数开启自旋锁。还可以使用-XX:PreBlockSpin参数设置自旋的次数。

2.3 重量级锁(Heavyweight Locking)

重量级锁是Java中最传统的锁，也是开销最大的锁。当轻量级锁升级为重量级锁时，对象头的Mark Word会被替换为指向Monitor对象的指针。Monitor是由操作系统提供的，它维护了一个等待队列，用于存放被阻塞的线程。

当一个线程尝试获取重量级锁时，如果锁已经被其他线程持有，那么当前线程会被阻塞，并加入到Monitor的等待队列中。当持有锁的线程释放锁时，会从等待队列中唤醒一个线程，让其获取锁。

适用场景: 多个线程竞争激烈，线程持有锁的时间较长的场景。
优点: 能够保证线程安全，避免死锁等问题。
缺点: 线程阻塞和唤醒的开销很大，会降低程序的性能。

重量级锁是synchronized关键字的默认实现，也是最可靠的锁机制。

2.4 锁升级的过程

锁的升级过程是一个动态的过程，JVM会根据实际的竞争情况进行调整。这个过程可以用下面的流程图来表示：

无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁

需要注意的是，锁只能升级，不能降级。也就是说，一旦锁升级为重量级锁，就无法再降级为轻量级锁或偏向锁。

3. 高竞争场景下的优化策略

在高竞争场景下，使用默认的锁机制可能会导致性能瓶颈。为了提高程序的性能，可以采取以下优化策略：

3.1 减少锁的持有时间

锁的持有时间越短，其他线程等待锁的时间就越短，从而减少了竞争。可以通过以下方式减少锁的持有时间：

缩小同步代码块的范围: 只对需要同步的代码进行加锁，避免对无关的代码进行加锁。
使用读写锁: 如果读操作远多于写操作，可以使用读写锁，允许多个线程同时进行读操作，只有写操作才需要互斥。
使用无锁数据结构: 例如，使用ConcurrentHashMap代替HashMap，使用AtomicInteger代替Integer。

3.2 减少锁的粒度

锁的粒度越细，并发度越高，从而提高了程序的性能。可以通过以下方式减少锁的粒度：

锁分解: 将一个大的锁分解为多个小的锁，每个锁只保护一部分数据。
锁分段: 将数据分成多个段，每个段使用一个锁来保护。例如，ConcurrentHashMap就是使用了锁分段技术。

3.3 使用更合适的锁

根据实际的竞争情况选择合适的锁。

如果只有一个线程访问同步代码块，可以使用偏向锁。
如果多个线程竞争，但竞争程度不高，可以使用轻量级锁。
如果多个线程竞争激烈，可以使用重量级锁。

3.4 避免死锁

死锁是指多个线程互相等待对方释放锁，导致程序无法继续执行。为了避免死锁，可以采取以下措施：

避免循环等待: 确保线程获取锁的顺序一致。
使用超时机制: 如果线程等待锁的时间超过一定的时间，就放弃获取锁。
使用死锁检测工具: 例如，jstack可以检测死锁。

3.5 代码示例：利用锁分段优化ConcurrentHashMap

虽然 ConcurrentHashMap 已经使用了锁分段技术，但我们可以手动实现一个简化版的锁分段来演示其原理。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class SegmentedMap {

    private static final int SEGMENT_SIZE = 16;
    private final Segment[] segments = new Segment[SEGMENT_SIZE];

    public SegmentedMap() {
        for (int i = 0; i < SEGMENT_SIZE; i++) {
            segments[i] = new Segment();
        }
    }

    private Segment getSegment(int key) {
        return segments[Math.abs(key % SEGMENT_SIZE)];
    }

    public void put(int key, String value) {
        getSegment(key).put(key, value);
    }

    public String get(int key) {
        return getSegment(key).get(key);
    }

    static class Segment {
        private final Lock lock = new ReentrantLock();
        private final List<Entry> entries = new ArrayList<>();

        public void put(int key, String value) {
            lock.lock();
            try {
                for (Entry entry : entries) {
                    if (entry.key == key) {
                        entry.value = value;
                        return;
                    }
                }
                entries.add(new Entry(key, value));
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }

        public String get(int key) {
            lock.lock();
            try {
                for (Entry entry : entries) {
                    if (entry.key == key) {
                        return entry.value;
                    }
                }
                return null;
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    static class Entry {
        final int key;
        String value;

        public Entry(int key, String value) {
            this.key = key;
            this.value = value;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SegmentedMap map = new SegmentedMap();
        Random random = new Random();

        Runnable task = () -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                int key = random.nextInt(100);
                map.put(key, Thread.currentThread().getName() + "-" + i);
                map.get(key);
            }
        };

        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads[i] = new Thread(task);
            threads[i].start();
        }

        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }

        System.out.println("Finished.");
    }
}

在这个例子中，我们将整个Map分成了16个Segment，每个Segment都有自己的锁。不同的线程可以同时访问不同的Segment，从而提高了并发度。尽管这是一个简化版本，但它展示了锁分段的基本思想：通过将锁的粒度减小，可以显著提高在高竞争环境下的性能。

4. 偏向锁的撤销

偏向锁并非万能，在某些情况下，JVM会撤销偏向锁，使其恢复到无锁状态或升级为轻量级锁。偏向锁撤销的常见场景包括：

当有其他线程尝试竞争偏向锁时： 这是最常见的撤销场景。当一个线程持有偏向锁，而另一个线程尝试获取该锁时，JVM会暂停持有偏向锁的线程，检查其是否仍然持有该锁。如果持有，则将对象头恢复到无锁状态或升级为轻量级锁，然后唤醒等待的线程。
调用对象的hashCode()方法： 如果对象已经处于偏向锁状态，调用hashCode()方法会导致偏向锁撤销。因为hashCode需要存储在Mark Word中，而Mark Word在偏向锁状态下存储的是线程ID。此时，JVM会将对象头恢复到无锁状态，并计算hashCode。
进入安全点(Safepoint)： 在GC等操作需要进入安全点时，JVM会暂停所有线程，并检查对象的锁状态。如果对象处于偏向锁状态，可能会触发偏向锁撤销。

偏向锁撤销是一个相对耗时的操作，因此在高竞争场景下，偏向锁可能并不适用。

5. 总结：优化Java并发，深入理解锁机制

理解Java对象头Mark Word的结构和锁的升级机制对于编写高性能的并发程序至关重要。通过合理利用偏向锁和轻量级锁，以及采取合适的优化策略，可以有效地提高程序在高竞争场景下的性能。需要根据实际情况选择最合适的锁机制，并避免死锁等并发问题。