偏向锁是什么？请解释其工作原理和适用场景。

八股文_Java并发基础题 0 1

参考回答

偏向锁是 Java 虚拟机（JVM）中的一种锁优化机制，用于减少线程争抢锁时的开销。偏向锁的核心思想是：如果一个锁被一个线程获得，那么该锁会进入“偏向模式”，并倾向于让该线程继续持有锁，而不再进行额外的同步操作。

偏向锁的工作原理

偏向锁是基于 Java 对象头中的锁标志位和线程 ID 实现的。

1. Java 对象头

Java 中的每个对象都包含一个对象头，用于存储锁信息。对象头的结构如下：

Mark Word：存储锁信息、哈希值或 GC 信息。
Class Pointer：指向类元数据的指针。

在偏向锁状态下，Mark Word 会存储以下内容：

锁标志位：表示当前锁的状态（如偏向锁、轻量级锁、重量级锁）。
偏向线程 ID：记录获得锁的线程。

2. 偏向锁的状态流转

偏向锁会经历以下状态：

无锁状态：
- 对象初始状态，没有线程持有锁。
偏向锁状态：
- 当一个线程第一次获得锁时，JVM 会将对象的锁标志位设置为“偏向锁”，并将当前线程的 ID 写入对象头的 Mark Word。
- 之后，如果该线程再次获取锁，无需任何同步操作，直接进入临界区。
偏向锁撤销：
- 如果另一个线程尝试获取偏向锁，JVM 会撤销偏向锁，将其升级为轻量级锁。
- 偏向锁的撤销过程需要停止当前线程和另一个竞争线程，重新分配锁。
轻量级锁和重量级锁：
- 偏向锁无法满足高并发场景的需求时，会升级为轻量级锁甚至重量级锁。

3. 偏向锁的优化

延迟偏向锁：
- 为了减少偏向锁的创建和撤销开销，JVM 默认会延迟启用偏向锁，直到应用程序运行了一段时间。
- 可通过 JVM 参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 禁用延迟。
禁用偏向锁：
- 如果偏向锁对性能提升不大，可以通过 -XX:-UseBiasedLocking 参数禁用偏向锁。

偏向锁的优缺点

优点

消除加锁的开销：
- 如果线程反复获取相同的锁，偏向锁可以避免 CAS 操作，直接进入临界区。
性能提升：
- 偏向锁特别适合单线程的同步场景，大幅减少锁竞争的开销。

缺点

锁撤销开销：
- 偏向锁被撤销时，需要暂停线程并重新分配锁，可能增加性能开销。
不适合高并发场景：
- 偏向锁仅适合线程竞争少的场景。在高并发场景下，频繁撤销偏向锁反而会降低性能。

偏向锁的适用场景

适用场景

单线程场景：
- 偏向锁最适合只有一个线程反复访问同步代码块的情况，例如线程池中单线程执行任务。
低并发场景：
- 偏向锁适用于锁竞争较少的场景，例如初始化阶段或某些批处理任务。

不适用场景

高并发场景：
- 偏向锁在高并发下会频繁撤销和升级，反而导致性能下降。

示例：偏向锁的使用

以下代码展示了偏向锁的优化效果：

代码示例

public class BiasedLockExample {
    private static final Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                synchronized (lock) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired the lock");
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                synchronized (lock) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired the lock");
                }
            }
        });

        t1.start();
        try {
            t1.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        t2.start();
    }
}

分析

当 t1 首次获取锁时，锁会进入偏向模式。
后续的加锁操作由 t1 完成，性能非常高。
当 t2 尝试获取锁时，偏向锁会撤销，并升级为轻量级锁。

偏向锁的 JVM 参数

常用 JVM 参数

启用/禁用偏向锁：
- -XX:+UseBiasedLocking（默认启用）。
- -XX:-UseBiasedLocking（禁用偏向锁）。
延迟偏向锁：
- -XX:BiasedLockingStartupDelay=0：立即启用偏向锁。
查看锁状态：
- 使用 -XX:+PrintFlagsFinal 查看锁相关的 JVM 参数。
- 使用 jvisualvm 或 jconsole 监控锁状态。

总结

偏向锁的概念：偏向锁是一种优化机制，通过将锁“偏向”于第一个获取它的线程，避免重复的加锁和解锁操作，提升性能。
适用场景：偏向锁适用于单线程或低并发场景，在高并发下会升级为轻量级锁或重量级锁。
核心优势：偏向锁减少了 CAS 操作和线程调度的开销，显著提高了低竞争场景下的同步性能。
使用建议：在明确场景为高并发时，可以禁用偏向锁；在大部分情况下，默认启用偏向锁是最佳选择。