团队简介
我们是光大科技有限公司智能化平台团队区块链项目组，致力于构建集团区块链基础设施平台，提供区块链技术在金融行业的完备解决方案，降低区块链的开发、运维难度，助力集团数字化转型。我们团队拥有经验丰富的区块链领域技术专家和研发工程师，将不定期分享区块链及相关领域的技术文章和解决方案，和大家共同探索金融行业区块链技术的落地实践和发展趋势。
线程安全是Java语言中一个比较重要的点，本篇文章我将结合《一个Java对象究竟占用多大内存》中对象在内存中的分布讲述下使用synchronized关键字时锁升级的过程。
从JDK1.5到JDK1.6 版本HotSpot虚拟机，开发团队花费了大量精力对锁进行技术优化，从而减少竞争带来的上下文切换，所以JDK1.6版本以后synchronize加锁的效率有了明显的提升。
锁升级过程中涉及到以下四种锁状态：无锁（初始状态）、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。（级别依次升高）
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偏向锁：大多数时候是不存在锁竞争的，常常是一个线程多次获得同一个锁。（默认开启，jvm设置参数为-XX:-UseBiasedLocking）
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轻量级锁：用来解决在没有多线程竞争的情况下，重量锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗问题。
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重量级锁：重量级锁也就是通常说的synchronized对象锁，每个对象都存在着一个 monitor 与之关联。
锁升级的过程即为：无锁状态→偏向锁状态→轻量锁状态→重量级锁状态。
《一个Java对象究竟占用多大内存》文章中已经介绍过Java对象从整体上可以分为三个部分，对象头、实例数据和对齐填充，而对象头又分为：Mark Word、类型指针(Klass Pointer)和数组长度(length)三部分。
下表是Mark Word具体的字段及所代表的含义。（下图为64位操作系统，32位操作系统与此有所差别）
无锁状态代码示例
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publicclass App { public static void main(String[] args) throws InterruptedException{ DemoA a = new DemoA(); System.out.println(a.hashCode()); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable()); }}classDemoA { boolean a = true;}
我们同样使用前文中提到openJDK的JOL工具包（JOL全称为Java Object Layout，是分析JVM对象内存分布的工具）。需要提及的是代码中的4, 5行代码的顺序不能互换，否则将导致内存分布结果改变。感兴趣的朋友可以自己调试并分析下产生不同结果的原因（友情提示：Java类的加载）。
图1：无锁状态下对象的内存分布
图1中显示对象的hashcode为201869954，经过16进制转换后为0x7852e922，与内存分布中的值一致，从而证明无锁状态下对象的hashCode会被存储在Mark Word中，并占用31比特位。此时，锁标志状态为图中的01。
偏向锁状态示例代码
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public class App { static DemoA a = new DemoA(); public static void main(String[] args) throws InterruptedException{ Thread t1 = new Thread(){ @Override public void run() { synchronized (a){ System.out.println(\"t1:\"); } } }; t1.start(); t1.join(); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable()); }}
图2：偏向锁状态下的内存分布
图2中可以看出，在偏向锁状态下锁状态的标志位为01，前一比特位值为1表示当前是偏向锁，与前文介绍一致。
轻量级锁状态代码片段
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public class App { static DemoA a = new DemoA(); static volatile int flag = 1; public static void main(String[] args) throws InterruptedException{ Thread t1 = new Thread(){ @Override public void run() { synchronized (a){ System.out.println(\"t1\"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable()); } flag = 2; try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }; Thread t2 = new Thread(){ @Override public void run() { while (flag!=2) { } synchronized (a){ System.out.println(\"t2\"); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable()); } } }; t1.start(); Thread.sleep(100); t2.start(); }}
图3：轻量级锁状态的内存分布
从图3中可以看到当锁从偏向锁升级到轻量级锁以后，锁状态的标志位变为00。重量级锁的演示过程这里就不再赘述。
小结
通过以上代码我们验证了synchronized锁升级过程中，对象在内存分布中的变化。了解synchronized锁以及后续要讲到的lock锁对于处理并发过程中锁的使用有着重要意义。
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作者 | 张宏源
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