并发编程：synchronized 锁升级过程的验证

    关于synchronized关键字以及偏向锁、轻量级锁、重量级锁的介绍广大网友已经给出了太多文章和例子，这里就不再重复了，也可点击链接来回顾一下。在这里来实战操作一把，验证JVM是怎么一步一步对锁进行升级的，这其中有很多值得思考的地方。

需要关注的点：

• JDK8偏向锁默认是开启的，不过JVM启动后有4秒钟的延迟，所以在这4秒钟内对家加锁都直接是轻量级锁，可用-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 关闭该特性

• 测试用的JDK是64位的，所以获取对象头的时候是用unsafe.getLong，来获取对象头Markword的8个字节，如果你是32位则用unsafe.getInt替换即可

• hashCode方法会对偏向锁造成影响（这里的hashCode特指identity hashcode，如果锁对象重载过hashCode方法则不会影响）

剩下的，我们直接代码里来相见：

public class SynchronizedTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 直接休眠5秒，或者用-XX:BiasedLockingStartupDelay=0关闭偏向锁延迟
        Thread.sleep(5000);
        // 反射获取sun.misc的Unsafe对象，用来查看锁的对象头的信息
        Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        theUnsafe.setAccessible(true);
        final Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);

        // 锁对象
        final Object lock = new Object();
        // TODO 64位JDK对象头为 64bit = 8Byte，如果是32位JDK则需要换成unsafe.getInt
        printf("1_无锁状态：" + getLongBinaryString(unsafe.getLong(lock, 0L)));

        // 如果不执行hashCode方法，则对象头的中的hashCode为0，
        // 但是如果执行了hashCode（identity hashcode，重载过的hashCode方法则不受影响），会导致偏向锁的标识位变为0（不可偏向状态），
        // 且后续的加锁不会走偏向锁而是直接到轻量级锁（被hash的对象不可被用作偏向锁）
//        lock.hashCode();
//        printf("锁对象hash：" + getLongBinaryString(lock.hashCode()));

        printf("2_无锁状态：" + getLongBinaryString(unsafe.getLong(lock, 0L)));

        printf("主线程hash：" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().hashCode()));
        printf("主线程ID：" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().getId()) + "\n");
        // 无锁 --> 偏向锁
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                printf("3_偏向锁：" +getLongBinaryString(unsafe.getLong(lock, 0L)));
                printf("偏向线程hash：" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().hashCode()));
                printf("偏向线程ID：" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().getId()) + "\n");
                // 如果锁对象已经进入了偏向状态，再调用hashCode()，会导致锁直接膨胀为重量级锁
//                lock.hashCode();
            }
            // 再次进入同步快，lock锁还是偏向当前线程
            synchronized (lock) {
                printf("4_偏向锁：" +getLongBinaryString(unsafe.getLong(lock, 0L)));
                printf("偏向线程hash：" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().hashCode()));
                printf("偏向线程ID：" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().getId()) + "\n");
            }
        }).start();
        Thread.sleep(1000);

        // 可以看到就算偏向的线程结束，锁对象的偏向锁也不会自动撤销
        printf("5_偏向线程结束：" +getLongBinaryString(unsafe.getLong(lock, 0L)) + "\n");

        // 偏向锁 --> 轻量级锁
        synchronized (lock) {
            // 对象头为：指向线程栈中的锁记录指针
            printf("6_轻量级锁：" + getLongBinaryString(unsafe.getLong(lock, 0L)));
            // 这里获得轻量级锁的线程是主线程
            printf("轻量级线程hash：" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().hashCode()));
            printf("轻量级线程ID：" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().getId()) + "\n");
        }
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                printf("7_轻量级锁：" +getLongBinaryString(unsafe.getLong(lock, 0L)));
                printf("轻量级线程hash：" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().hashCode()));
                printf("轻量级线程ID：" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().getId()) + "\n");
            }
        }).start();
        Thread.sleep(1000);

        // 轻量级锁 --> 重量级锁
        synchronized (lock) {
            int i = 123;
            // 注意：6_轻量级锁 和 8_轻量级锁 的对象头是一样的，证明线程释放锁后，栈帧中的锁记录并未清除，如果方法返回，锁记录是否保留还是清除？
            printf("8_轻量级锁：" + getLongBinaryString(unsafe.getLong(lock, 0L)));
            // 在锁已经获取了lock的轻量级锁的情况下，子线程来获取锁，则锁会膨胀为重量级锁
            new Thread(() -> {
                synchronized (lock) {
                    printf("9_重量级锁：" +getLongBinaryString(unsafe.getLong(lock, 0L)));
                    printf("重量级线程hash：" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().hashCode()));
                    printf("重量级线程ID：" +getLongBinaryString(Thread.currentThread().getId()) + "\n");
                }
            }).start();
            // 同步块中睡眠1秒，不会释放锁，等待子线程请求锁失败导致锁膨胀（见轻量级加锁过程）
            Thread.sleep(1000);
        }
        Thread.sleep(500);
    }

    private static String getLongBinaryString(long num) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < 64; i++) {
            if ((num & 1) == 1) {
                sb.append(1);
            } else {
                sb.append(0);
            }
            num = num >> 1;
        }
        return sb.reverse().toString();
    }
    private static void printf(String str) {
        System.out.printf("%s%n", str);
    }
}

运行结果如下：

1_无锁状态：0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000101
2_无锁状态：0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000101
主线程hash：0000000000000000000000000000000001001010010101110100011110010101
主线程ID：0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001

3_偏向锁：0000000000000000000000000000000000011110001001011110100000000101
偏向线程hash：0000000000000000000000000000000001001011010110110100011011111101
偏向线程ID：0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001010

4_偏向锁：0000000000000000000000000000000000011110001001011110100000000101
偏向线程hash：0000000000000000000000000000000001001011010110110100011011111101
偏向线程ID：0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001010

5_偏向线程结束：0000000000000000000000000000000000011110001001011110100000000101

6_轻量级锁：0000000000000000000000000000000000000011000110101111010010110000
轻量级线程hash：0000000000000000000000000000000001001010010101110100011110010101
轻量级线程ID：0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001

7_轻量级锁：0000000000000000000000000000000000011110101101101111010010001000
轻量级线程hash：0000000000000000000000000000000000011000010110111010100010100100
轻量级线程ID：0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001011

8_轻量级锁：0000000000000000000000000000000000000011000110101111010010110000
9_重量级锁：0000000000000000000000000000000000000011010010101110000100011010
重量级线程hash：0000000000000000000000000000000000111101101111111101111111000111
重量级线程ID：0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001100

现在依此来看下各个状态：

• 1_无锁状态：通过结果可以看到：对象的hashCode为0，gc分代年龄也是0，偏向锁标志位为1（表示可偏向状态），锁标志位为01

• 2_无锁状态：如果不执行hashCode方法，则跟1_无锁状态一致，否则为：0000000000000000000000000100101001010111010001111001010100000001
  
  偏向锁标志位为0，表示不可偏向状态，这里网友们大多有误解，实际应该为：偏向锁标志位表示的是当前锁是否可偏向

• 3_偏向锁：子线程首次获取锁，则锁偏向子线程

• 4_偏向锁：子线程是否锁后再次获取锁，JVM检测到锁是偏向子线程的，所以直接获取

• 5_偏向线程结束：偏向的线程结束后，锁对象的对象头没有改变，所以偏向锁也不会自动撤销（这里JDK团队是否可以做优化呢？还是说线程根本就没记录哪些锁偏向了自己，所以退出的时候也没法一一撤销）

• 6_轻量级锁：如果锁已经偏向了一个线程，则其他现在来获取锁，则需要升级为轻量级锁

• 7_轻量级锁：只要没有多个线程同一时刻来竞争锁，则多个线程可以轮流使用这把轻量级锁（使用完后会及时释放，CAS替换Markword）

• 8_轻量级锁、9_重量级锁：主线程先获取轻量级锁，在持有锁的同时，创建一个子线程来获取同一把锁，这时候有了锁的竞争，则会升级为重量级锁

注意：

如果把代码里的第一行或者第二行lock.hashCode();注释掉的话，则执行的结果完全就不同了，也可从结果验证上文提到的hashCode对偏向锁的影响。

还剩一个问题：

网上经常能看到的一张对象头布局图，其中偏向锁状态时Markword存储的是：线程ID + Epoch + 分代年龄 + 1 + 01





但是，我在程序中验证了，锁对象处于偏向锁的状态时，Markword存储的内容既不是线程ID也不是线程对象的hashCode，这个问题很奇怪，目前还没找到原因所在。