如何理解java中锁与并发

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1. 对象头和锁

1.1 对象头的概念

在java虚拟机的实现中，每个对象都有一个对象头，用于保存对象的系统信息。对象头中有一个称为Mark Word的部分，它是实现锁的关键。在32位系统中，Mark Word 为一个32位的数据，在64位系统中，它占64位。它是一个多功能的数据区，可以存放对象的哈希值、对象年龄、锁的指针等信息。一个对象是否占用锁、占用哪个锁，就记录在这个Mark Word中。

以32位系统为例，普通对象的对象头如下：

hash: 25 --------->| age: 4    biased_lock: 1    lock: 2

它表示Mark Word 中有25位表示对象的哈希值，4位表示对象的年龄，1位表示是否为偏向锁，2位表示锁的信息。

1.2 偏向锁的对象头

偏向锁是jdk 1.6提出的一种锁优化方式。其核心思想是，如果程序没有竞争，则取消之前已经取得锁的线程同步操作。也就是说，某一锁被线程获取后，就会进入俯身模式，当线程再次请求这个锁时，无须再进行相关的同步操作，从而节省了操作时间。如果在此期间有其他线程进行了锁请求，则锁退出偏向模式。在jvm中，使用-XX:+UseBiasedLocking可以设置启用偏向锁。

对于偏向锁的对象，它的格式如下：

[JavaThread*  | epoch | age | 1 | 01]

前23位表示持有偏向锁的线程，后续2位表示偏向锁的时间戳（epoch），4位表示对象年龄，年龄后固定为1，表示偏向锁，最近2位为01，表示可偏向/未锁定。

偏向锁示例：

package jvm.chapter08;

import java.util.List;
import java.util.Vector;

/**
 * 使用一个线程对Vector进行写入操作，由于对Vector的访问内部都用同步锁控制，
 * 每次add()操作都会请求numberList对象的锁。
 *
 * @author chengyan
 * @date 2019-11-17 7:41 下午
 */
public class Demo01 {
    public static List numberList = new Vector();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        long begin = System.currentTimeMillis();
        int count = 0;
        int startnum = 0;
        while(count < 1000_0000) {
            numberList.add(startnum);
            startnum += 2;
            count++;
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(end - begin);
    }
}

使用参数-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 -client -Xmx512m -Xms512m运行，结果如下：

这说明程序用227毫秒完成所有的工作。参数-XX:BiasedLockingStartupDelay表示虚拟机在启动后立即使用偏向锁。如不设置该参数，虚拟机默认会在启动后4秒后，才启用偏向锁，考虑到程序运行时间较短，故做此设置，尽早启用偏向锁。

若禁用偏向锁，则只需使用如下参数启动程序：

-XX:-UseBiasedLocking -client -Xmx512m -Xms512m

结果如下：

1.3 轻量级锁的对象头

当对象处于轻量级锁时，其中Mark Word 如下（00表示最后2位的值）：

[ptr | 00] locked

此时，它指向存放在获得锁的线程栈中的该对象的真实对象头。

1.4 重量级锁的对象头

当对象处于轻量级锁时，其中Mark Word 如下：

[ptr | 10] monitor

此时，最后2位为10，整个 Mark Word 指向 Minitor的指针。

1.5 普通对象的对象头

当对象处理于普通的未锁定状态时，其格式如下：

[header | 0 | 01|] unlocked

前29位表示对象的哈希值、年龄等信息。倒数第3位为0，最后两位为01，表示未锁定。可以发现，最后两位的值和偏向状态是一样的，此时虚拟机通过倒数第3位来区分是否为偏向锁。

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