Synchronized锁升级过程Markword变化难追踪？JOL工具与偏向锁撤销日志分析 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

Synchronized 锁升级过程 Markword 变化难追踪？JOL 工具与偏向锁撤销日志分析

各位同学，大家好！今天我们要深入探讨一个Java并发编程中非常核心且容易让人困惑的议题：synchronized 锁的升级过程，特别是关于Mark Word的变化以及如何利用JOL工具和偏向锁撤销日志来进行分析。

synchronized 是Java中实现线程同步的关键手段。它提供的互斥性基于JVM底层的锁机制。为了优化性能，JVM对synchronized 锁进行了多层次的优化，包括偏向锁、轻量级锁和重量级锁。这个锁升级的过程，其实就是Mark Word在对象头中不断变化的过程。然而，追踪这个过程并非易事。今天我们就来拆解这个过程，并学习如何借助工具来观察和理解它。

一、synchronized 锁的升级过程回顾

在深入分析之前，我们先回顾一下 synchronized 锁的升级过程。

偏向锁 (Biased Locking)：当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头的Mark Word中记录该线程ID。之后，该线程再次进入这个同步块时，无需再进行任何同步操作。偏向锁适用于单线程访问同步块的场景，避免了不必要的CAS操作。
轻量级锁 (Lightweight Locking)：当多个线程竞争同一个锁时，偏向锁就会失效，升级为轻量级锁。线程会在自己的栈帧中创建一个锁记录 (Lock Record)，然后通过CAS操作尝试将对象头的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果CAS操作成功，线程就获得了锁；如果失败，表示存在竞争，轻量级锁会膨胀为重量级锁。
重量级锁 (Heavyweight Locking)：轻量级锁 CAS 操作失败时，或者持有锁的线程尝试递归获取锁时，锁会膨胀为重量级锁。重量级锁依赖于操作系统的互斥量 (Mutex)，线程需要进入阻塞或唤醒状态，代价较高。

Mark Word 的变化:

锁状态	Mark Word 内容
无锁状态	对象哈希码、GC分代年龄、是否是偏向锁标识、锁标识
偏向锁	偏向锁标识、线程ID、Epoch、GC分代年龄、是否是偏向锁标识、锁标识
轻量级锁	指向线程栈中锁记录的指针
重量级锁	指向堆中的monitor对象的指针

二、Mark Word 变化难点分析

理解 synchronized 锁升级过程的关键在于理解 Mark Word 的变化。然而，直接观察 Mark Word 并非易事，主要存在以下难点：

短暂性：锁升级的过程非常短暂，可能在几毫秒甚至更短的时间内完成。要捕捉到中间状态非常困难。
并发性：多线程环境下的锁竞争更加复杂，难以预测锁升级的具体路径。
JVM 优化：JVM 会进行各种优化，例如锁消除、锁粗化等，这会影响锁升级的过程，使得分析更加复杂。
内存布局的复杂性：理解对象头在内存中的布局和 Mark Word 的结构需要深入了解 JVM 的底层实现。

三、JOL 工具：观察 Mark Word 的利器

JOL (Java Object Layout) 是一个强大的工具，可以帮助我们深入了解 Java 对象的内存布局，包括对象头、实例变量、填充等。通过 JOL，我们可以直接观察 Mark Word 的值，从而了解锁的状态。

1. JOL 的安装

首先，我们需要在项目中引入 JOL 的依赖。在 Maven 项目中，可以添加以下依赖：

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.16</version>
</dependency>

2. 使用 JOL 观察对象布局

下面是一个简单的例子，展示如何使用 JOL 来观察对象的布局：

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class JOLSample {

    static Object obj = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
    }
}

运行这段代码，你会看到类似下面的输出：

java.lang.Object object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           e5 05 00 20 (11100101 00000101 00000000 00100000) (536872357)
     12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

这个输出展示了 java.lang.Object 的内存布局。其中，(object header) 部分就是对象头，包含了 Mark Word 和 Klass Pointer。通过观察 Mark Word 的值，我们可以推断锁的状态。

3. 结合 synchronized 观察锁升级

现在，我们结合 synchronized 关键字，来观察锁升级过程中 Mark Word 的变化。

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class JOLSynchronized {

    static Object obj = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        // 初始状态
        System.out.println("Before synchronized:");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                System.out.println("Inside synchronized - Thread 1:");
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
                try {
                    Thread.sleep(2000); // 保持锁一段时间
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        t1.start();
        Thread.sleep(100); // 确保 t1 获得锁

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                System.out.println("Inside synchronized - Thread 2:");
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
            }
        });

        t2.start();

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

        System.out.println("After synchronized:");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
    }
}

这段代码创建了两个线程，它们竞争同一个 synchronized 块。运行这段代码，并仔细观察输出，你会发现 Mark Word 的值在不同的时刻发生了变化。

初始状态：Mark Word 可能包含对象的哈希码、GC 分代年龄等信息。
Thread 1 获得锁：如果启用了偏向锁，Mark Word 可能会记录 Thread 1 的 ID。如果未启用或偏向锁失效，则可能升级为轻量级锁，Mark Word 指向 Thread 1 的锁记录。
Thread 2 尝试获得锁：由于 Thread 1 已经持有锁，Thread 2 会尝试 CAS 操作，但会失败。此时，锁可能会升级为重量级锁，Mark Word 指向 monitor 对象。
释放锁之后：锁释放后，Mark Word 可能会恢复到初始状态，也可能保留一些信息。

4. JOL 分析技巧

关闭延迟偏向：可以通过 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 参数来关闭偏向锁的延迟启动，以便更快地观察到偏向锁的效果。
打印 GC 日志：通过 -XX:+PrintGCDetails 参数打印 GC 日志，可以了解 GC 对对象头的影响。
设置断点调试：可以在代码中设置断点，使用调试器来单步执行，并结合 JOL 观察 Mark Word 的变化。
注意JVM的优化：JIT 编译器可能会对synchronized代码块进行优化，例如锁消除，这可能会影响观察结果。通过添加-Djava.compiler=NONE可以禁用JIT编译器，从而更清晰地观察锁升级过程。

四、偏向锁撤销日志：追踪偏向锁失效的原因

偏向锁虽然可以提高性能，但在某些情况下，例如多线程竞争比较激烈时，偏向锁会失效，需要进行撤销 (Revocation)。偏向锁的撤销会导致一定的性能开销。因此，了解偏向锁撤销的原因对于优化并发程序至关重要。

1. 开启偏向锁撤销日志

可以通过 JVM 参数 -XX:+PrintBiasedLockingStatistics 开启偏向锁撤销日志。

2. 分析偏向锁撤销日志

开启偏向锁撤销日志后，JVM 会在程序运行过程中输出偏向锁撤销的统计信息。例如：

Biased locking: Total revokes = 100, Rate = 10.000/sec
Biased locking: Total classes revoked = 5, Rate = 0.500/sec
Biased locking: Total objects revoked = 50, Rate = 5.000/sec

这些信息可以帮助我们了解偏向锁撤销的频率、撤销的对象数量等。

更详细的撤销原因可以通过添加 -XX:+LogBiasedLocking 参数来获取。这会产生大量的日志，需要仔细分析才能找到问题所在。

3. 常见的偏向锁撤销原因

线程竞争：当多个线程竞争同一个对象时，偏向锁会失效。这是最常见的偏向锁撤销原因。
调用对象的 hashCode() 方法：如果一个对象已经处于偏向锁状态，并且调用了它的 hashCode() 方法，那么偏向锁会被撤销，因为对象的哈希码需要存储在对象头中，而偏向锁会占用对象头的空间。
进入安全点 (Safepoint)：在某些情况下，例如 GC 发生时，JVM 会进入安全点。进入安全点时，所有线程都需要暂停执行。如果一个线程持有偏向锁，那么在进入安全点时，偏向锁可能会被撤销。
显式调用 System.identityHashCode()：显式调用 System.identityHashCode() 也会导致偏向锁撤销，原因与调用 hashCode() 类似。

4. 代码示例与偏向锁撤销

public class BiasedLockingRevocation {

    static Object obj = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                System.out.println("Thread 1: Holding the lock");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            // 触发 hashCode() 调用，导致偏向锁撤销
            System.out.println("Thread 2: Calling hashCode() - " + obj.hashCode());
            synchronized (obj) {
                System.out.println("Thread 2: Holding the lock");
            }
        });

        t1.start();
        Thread.sleep(100); // 确保 t1 获得锁
        t2.start();

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

在这个例子中，Thread 2 调用了 obj.hashCode() 方法，这会导致 Thread 1 持有的偏向锁被撤销。运行这段代码，并开启偏向锁撤销日志，你就可以观察到偏向锁撤销的发生。

5. 优化建议

避免不必要的 hashCode() 调用：如果对象不需要计算哈希码，尽量避免调用 hashCode() 方法。
使用 ConcurrentHashMap：在多线程环境下，可以使用 ConcurrentHashMap 等并发容器来代替 HashMap，减少锁竞争。
调整偏向锁参数：可以通过 JVM 参数来调整偏向锁的行为，例如禁用偏向锁 ( -XX:-UseBiasedLocking )。但需要谨慎使用，因为禁用偏向锁可能会降低性能。

五、案例分析：高并发场景下的锁优化

我们来考虑一个高并发的场景：一个计数器，多个线程同时对其进行递增操作。

1. 原始代码

public class Counter {

    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter counter = new Counter();
        int numThreads = 10;
        int iterations = 10000;

        Thread[] threads = new Thread[numThreads];
        for (int i = 0; i < numThreads; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < iterations; j++) {
                    counter.increment();
                }
            });
            threads[i].start();
        }

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

        System.out.println("Count: " + counter.getCount());
    }
}

这段代码使用了 synchronized 关键字来保证 increment() 方法的线程安全。在高并发环境下，这种实现方式可能会导致严重的性能问题，因为大量的线程会竞争同一个锁。

2. 优化方案：使用 AtomicInteger

可以使用 AtomicInteger 来代替 synchronized 关键字，利用 CAS 操作来实现线程安全的递增。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicCounter {

    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        count.incrementAndGet();
    }

    public int getCount() {
        return count.get();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicCounter counter = new AtomicCounter();
        int numThreads = 10;
        int iterations = 10000;

        Thread[] threads = new Thread[numThreads];
        for (int i = 0; i < numThreads; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < iterations; j++) {
                    counter.increment();
                }
            });
            threads[i].start();
        }

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

        System.out.println("Count: " + counter.getCount());
    }
}

AtomicInteger 的 incrementAndGet() 方法使用 CAS 操作来实现原子性的递增，避免了锁竞争，提高了性能。

3. 性能比较

可以通过 JMH (Java Microbenchmark Harness) 来对两种实现方式进行性能比较。结果表明，在高并发环境下，使用 AtomicInteger 的性能明显优于使用 synchronized 关键字的实现。

4. 锁优化原则

减少锁的持有时间：尽量缩短 synchronized 代码块的执行时间。
减少锁的粒度：将一个大锁拆分成多个小锁，减少锁竞争。
使用并发容器：使用 ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList 等并发容器来代替传统的集合类。
使用 CAS 操作：使用 AtomicInteger、AtomicLong 等原子类来代替 synchronized 关键字，利用 CAS 操作来实现线程安全。
避免不必要的同步：仔细分析代码，找出不需要同步的代码，避免不必要的同步操作。

六、其他锁优化技术

除了上述方法，还有一些其他的锁优化技术，例如：

锁消除 (Lock Elision)：JIT 编译器会检测到某些 synchronized 块实际上不存在线程竞争，从而消除这些锁。
锁粗化 (Lock Coarsening)：JIT 编译器会将多个相邻的 synchronized 块合并成一个更大的锁，减少锁的获取和释放次数。
读写锁 (ReadWriteLock)：读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。适用于读多写少的场景。
StampedLock: 在JDK8中引入，提供更灵活的读写锁控制，可以进行乐观读，避免不必要的锁竞争。

七、总结与展望

今天我们深入探讨了 synchronized 锁的升级过程，分析了 Mark Word 的变化，并学习了如何使用 JOL 工具和偏向锁撤销日志来进行分析。同时，我们还讨论了一些常见的锁优化技术。理解 synchronized 锁的底层机制，可以帮助我们编写更高效的并发程序。随着 JVM 的不断发展，锁优化技术也在不断进步。我们可以期待未来出现更多更强大的锁优化技术。

希望今天的讲座对大家有所帮助。谢谢！

锁升级过程中的关键点和分析工具

理解锁升级过程需要关注Mark Word的变化，并善用JOL工具和偏向锁撤销日志，针对具体情况选择合适的锁优化策略。

锁优化是提升并发程序性能的关键

通过减少锁的持有时间、降低锁的粒度、使用并发容器和CAS操作等手段，可以有效提升并发程序的性能。