Java中的偏向锁优化与批量重偏向/批量撤销机制详解

一、问题背景与核心概念

在多线程环境下，synchronized是Java最基础的同步机制。JVM为了提升同步性能，引入了偏向锁（Biased Locking）优化。但在高度竞争的场景下，频繁的锁竞争会降低偏向锁带来的收益，甚至产生负优化。为此，JVM设计了批量重偏向（Bulk Rebias）和批量撤销（Bulk Revoke）机制来动态调整锁策略。

二、偏向锁的核心原理

1. 设计目标：在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得。偏向锁让这个线程在获得锁之后，后续再进入同步块时无需执行CAS原子指令或操作系统层面的互斥操作，只需简单检查锁对象头的Mark Word中的线程ID是否指向自己。

2. 偏向锁的Mark Word结构（以64位JVM为例）：

   | 锁标志位 (2 bits) | 是否偏向 (1 bit) | 偏向线程ID (54 bits) | 偏向时间戳 (epoch) | 分代年龄 (4 bits) | 对象哈希码 (31 bits) | 未使用 (1 bit) |
   

   当锁处于偏向状态时，锁标志位为01，是否偏向位为1，并记录占用锁的线程ID和epoch值。

3. 偏向锁的获取流程：

   • 第一次进入同步块时，检查对象头的Mark Word：
     • 如果锁标志位为01且偏向模式为0（无锁状态），则通过CAS将线程ID写入Mark Word，并将偏向模式设为1。
     • 如果偏向模式为1且线程ID指向当前线程，则直接通过检查，无需同步操作。
     • 如果偏向模式为1但线程ID不是当前线程，说明存在竞争，需要进入锁升级流程（偏向锁 → 轻量级锁）。

三、偏向锁的撤销（Revoke）问题

1. 撤销触发条件：当另一个线程尝试获取已被偏向的锁时，需要将偏向锁撤销为无锁状态或升级为轻量级锁。

2. 撤销的成本：

   • 需要在全局安全点（Safepoint） 暂停持有偏向锁的线程。
   • 遍历该线程的栈帧，检查是否有该锁对象的锁记录（Lock Record）。
   • 若存在，需要修复栈帧和对象头的状态，可能升级为轻量级锁。

3. 性能瓶颈：如果某一类锁对象频繁被不同线程争用，每次撤销都触发安全点停顿，开销极大。

四、批量重偏向（Bulk Rebias）机制

1. 设计目的：针对同一类的多个对象被多个线程交替使用，但不同线程间没有严重竞争的场景。为了避免频繁撤销偏向锁，JVM允许将一类对象的偏向锁批量重偏向到另一个线程。

2. 实现机制：

   • 每个类维护一个偏向锁撤销计数器和一个epoch值。
   • 当某个类的偏向锁被撤销达到阈值（默认20次）时，JVM会触发批量重偏向。
   • 重偏向过程：
     • 遍历所有当前仍存活的该类的实例对象。
     • 检查对象的epoch值是否与类的epoch值匹配。
     • 若匹配（说明对象仍可偏向），且对象当前被偏向于原线程，则将对象头的epoch更新为类的当前epoch（相当于标记为“可被新线程偏向”）。
     • 后续新线程获取该对象的锁时，可以直接CAS将自己的线程ID写入，无需触发完整撤销。

3. 示例场景：

   • 线程T1创建了N个类A的对象，并对每个对象加锁（偏向T1）。
   • 之后线程T2交替使用这些对象，前20次会触发偏向锁撤销（升级为轻量级锁）。
   • 在第20次撤销后，JVM触发批量重偏向，后续对象可以直接偏向T2，避免撤销开销。

五、批量撤销（Bulk Revoke）机制

1. 设计目的：当某个类的锁对象持续存在多线程竞争，偏向锁已无法带来收益时，JVM会永久禁用该类的偏向锁功能。

2. 触发条件：

   • 在批量重偏向发生后，该类的偏向锁撤销次数继续累计达到另一个阈值（默认40次）。
   • 或者，在重偏向过程中，发现多数对象已被其他线程占用，不适合继续偏向。

3. 执行效果：

   • 将该类的偏向标记强制禁用。
   • 后续该类的所有新实例对象，其对象头中的偏向标记会直接设为0（即默认不启用偏向锁）。
   • 已存在的实例对象在锁竞争时，会直接升级为轻量级锁，不再尝试偏向。

六、JVM参数与监控

1. 相关参数：

   # 开启/关闭偏向锁（JDK 15后默认关闭）
   -XX:+UseBiasedLocking / -XX:-UseBiasedLocking
   # 偏向锁延迟时间（默认4000ms）
   -XX:BiasedLockingStartupDelay=4000
   # 批量重偏向阈值
   -XX:BiasedLockingBulkRebiasThreshold=20
   # 批量撤销阈值
   -XX:BiasedLockingBulkRevokeThreshold=40
   

2. 监控方法：

   • 使用jstack查看线程锁状态。
   • 通过-XX:+PrintBiasedLockingStatistics（需Debug版JVM）输出偏向锁统计信息。

七、偏向锁的现状与演进

• JDK 15+的变化：由于现代应用往往具有高并发特性，偏向锁的维护开销在竞争场景下可能超过其收益。因此JDK 15后默认禁用偏向锁（-XX:-UseBiasedLocking）。
• 替代方案：轻量级锁（通过CAS自旋）和重量级锁（操作系统互斥量）的组合，在多数场景下已能提供良好性能。

八、总结与最佳实践

1. 偏向锁适用场景：明确单线程重复访问的同步块（如某些缓存框架的本地操作）。
2. 批量重偏向/撤销的意义：是JVM对锁竞争模式的自适应优化，减少在“偏向错误”时的性能惩罚。
3. 现代开发建议：
   • 在JDK 15+环境中，无需主动配置偏向锁。
   • 若使用旧版本，可在高竞争锁上通过-XX:-UseBiasedLocking显式关闭。
   • 理解机制有助于分析线上锁竞争问题（如通过-XX:+PrintBiasedLockingStatistics定位批量撤销的类）。