其實很早之前通過一些資料，就對偏向鎖稍微有些了解，周六準備看看Hotspot中關于偏向鎖的實現(xiàn)，本以為應該暢通無阻，沒想到處處都是攔路虎，細節(jié)比較多，真是硬著頭皮看了一整天，才大概懂了點。筆者還在不斷學習，只是想把自己的筆記分享出來，理解能力有限，可能有不正確的地方，還望指正，別讓我誤導了他人??。
一：鎖的表示
Java里的鎖，主要都是對對象進行加鎖，如普通的synchronized非靜態(tài)方法，就是對當前執(zhí)行方法的對象進行加鎖。那么怎么對對象進行加鎖呢？對象的鎖其實主要就是通過對象頭的markOop進行表示的。markOop其實不是一個對象，只是一個字長的數(shù)據，在32為機器上，markOop為32個位，在64位上為64個位。markOop中不同的位區(qū)域存儲著不同的信息，但是需要注意的一點是，markOop每個位區(qū)域表示的信息不是一定的，在不同狀態(tài)下，markWord中存著不同的信息。接下來盜圖一張：
由上圖可知在markWord在對象的不同狀態(tài)下，會有5種表示形式。
二：何為偏向鎖
很多情況下，一個鎖對象并不會發(fā)生被多個線程訪問得情況，更多是被同一個線程進行訪問，如果一個鎖對象每次都被同一個線程訪問，根本沒有發(fā)生并發(fā)，但是每次都進行加鎖，那豈不是非常耗費性能。所以偏向鎖就被設計出來了。
偏向，也可以理解為偏心。當鎖對象第一次被某個線程訪問時，它會在其對象頭的markOop中記錄該線程ID，那么下次該線程再次訪問它時，就不需要進行加鎖了。但是這中間只要發(fā)生了其他線程訪問該鎖對象的情況，證明這個對象會發(fā)生并發(fā)，就不能對這個對象再使用偏向鎖了，會進行鎖的升級，這是后話，我們這里還是主要討論下偏向鎖。
三：源碼探究
我們就以synchronized方法為入口吧。
之前在《JVM方法執(zhí)行的來龍去脈》中提到過，JVM執(zhí)行方法最后會以對應的entry_point例程作為入口。entry_point例程不僅會進行java方法棧幀的創(chuàng)建，如果是同步方法，還會進行加鎖：
address TemplateInterpreterGenerator::generate_normal_entry(bool synchronized) {
......
if (synchronized) {
// Allocate monitor and lock method
lock_method();
} else {
......
}
// 下面會開始執(zhí)行方法的字節(jié)碼
......
}
可見在執(zhí)行方法的字節(jié)碼之前，對于同步方法，entry_point例程插入了一道關卡：lock_method（）：
void TemplateInterpreterGenerator::lock_method() {
.......
// get synchronization object
{
Label done;
__ movl(rax, access_flags);
__ testl(rax, JVM_ACC_STATIC);
// get receiver (assume this is frequent case)
// 局部變量表中第一個變量，存放著即將鎖的對象指針，移動到rax中
__ movptr(rax, Address(rlocals, Interpreter::local_offset_in_bytes(0)));
__ jcc(Assembler::zero, done);
__ load_mirror(rax, rbx);
__ bind(done);
}
// add space for monitor & lock
// 在當前棧幀中分配一個空間，用于分配一個BasicObjectLock對象
__ subptr(rsp, entry_size); // add space for a monitor entry
__ movptr(monitor_block_top, rsp); // set new monitor block top
// store object
// 將要鎖的對象指針移動到分配的BasicObjectLock中的obj變量
__ movptr(Address(rsp, BasicObjectLock::obj_offset_in_bytes()), rax);
const Register lockreg = NOT_LP64(rdx) LP64_ONLY(c_rarg1);
// 將分配的BasicObjectLock的指針移動到lockreg寄存器中
__ movptr(lockreg, rsp); // object address
// 加鎖
__ lock_object(lockreg);
}
在上面的lock_method（）中，會在當前方法棧幀中分配一段空間，用于分配一個BasicObjectLock對象，這個對象主要干兩件事，一是記錄將要鎖的對象指針，而是用一個字長的空間，復制鎖對象的markOop?，F(xiàn)在我們可能不知道這么做是為什么，但是后面就會清楚了。主要上面最后一步，調用了lock_object（）進行加鎖：
void InterpreterMacroAssembler::lock_object(Register lock_reg) {
......
// 如果使用重量級鎖，直接進入InterpreterRuntime::monitorenter（）執(zhí)行
if (UseHeavyMonitors) {
call_VM(noreg,
CAST_FROM_FN_PTR(address, InterpreterRuntime::monitorenter),
lock_reg);
} else {
Label done;
// cmpxchg其實就是CAS操作，必須使用rax寄存器作為老數(shù)據的存儲。
const Register swap_reg = rax; // Must use rax for cmpxchg instruction
const Register tmp_reg = rbx; // Will be passed to biased_locking_enter to avoid a problematic case where tmp_reg = no_reg.
const Register obj_reg = LP64_ONLY(c_rarg3) NOT_LP64(rcx); // Will contain the oop
......
Label slow_case;
// Load object pointer into obj_reg
movptr(obj_reg, Address(lock_reg, obj_offset));
//如果虛擬機參數(shù)允許使用偏向鎖，那么進入biased_locking_enter（）中
if (UseBiasedLocking) {
// lock_reg :存儲的是分配的BasicObjectLock的指針
// obj_reg :存儲的是鎖對象的指針
// slow_case :即InterpreterRuntime::monitorenter（）；
// done :標志著獲取鎖成功。
// slow_case 和 done 也被傳入，這樣在biased_locking_enter（）中，就可以根據情況跳到這兩處了。
biased_locking_enter(lock_reg, obj_reg, swap_reg, tmp_reg, false, done, &slow_case);
}
......
......
// 直接跳到這，需要進入InterpreterRuntime::monitorenter（）中去獲取鎖。
bind(slow_case);
// Call the runtime routine for slow case
call_VM(noreg,
CAST_FROM_FN_PTR(address, InterpreterRuntime::monitorenter),
lock_reg);
// 直接跳到這表明獲取鎖成功，接下來就會返回到entry_point例程進行字節(jié)碼的執(zhí)行了。
bind(done);
}
}
上面可知，如果虛擬機參數(shù)允許使用偏向鎖，那么會進入biased_locking_enter（）中，biased_locking_enter（）這個方法涉及到了很多細節(jié)，說實話在不了解這些細節(jié)的情況下直接看代碼，簡直是一頭霧水。接下來還是一邊看代碼一邊去講解細節(jié)吧。
四：偏向鎖的獲取
biased_locking_enter（）也比較長，就不直接貼方法塊了，一步步分析比較好。
1：判斷鎖對象是否為偏向鎖狀態(tài)
// mark_addr:鎖對象頭中的markOop指針。
Address mark_addr (obj_reg, oopDesc::mark_offset_in_bytes());
NOT_LP64( Address saved_mark_addr(lock_reg, 0); )
if (PrintBiasedLockingStatistics && counters == NULL) {
counters = BiasedLocking::counters();
}
Label cas_label;
int null_check_offset = -1;
// 如果swap_reg中沒存mark_addr，那么就先將mark_addr存入swap_reg中。
if (!swap_reg_contains_mark) {
null_check_offset = offset();
movptr(swap_reg, mark_addr);
}
// 將對象的mark_addr，即markOop指針移入tmp_reg中
movptr(tmp_reg, swap_reg);
// 將tmp_reg和biased_lock_mask_in_place進行與操作，biased_lock_mask_in_place為111，和它進行與就可以取出markOop中后三位，即（是否偏向鎖+鎖標志位）
andptr(tmp_reg, markOopDesc::biased_lock_mask_in_place);
// 將上面結果，即（是否偏向鎖+鎖標志位）和biased_lock_pattern再次比較（biased_lock_pattern為5，即101），如果不相等，則表明不為偏向鎖狀態(tài)，需要進行CAS操作，跳往cas_label；否則即為偏向鎖狀態(tài)，接著往下走。
cmpptr(tmp_reg, markOopDesc::biased_lock_pattern);
jcc(Assembler::notEqual, cas_label);
2：走到這，表明鎖對象已經為偏向鎖態(tài)，需要判斷鎖對象之前是否已經偏向當前線程。
// 將鎖對象所屬類的prototype_header移動至tmp_reg中，prototype_header中存儲的也是markOop。
// prototype_header是專門為偏向鎖打造的，初始時類的prototype_header為偏向鎖態(tài)，即后三位為101，一旦發(fā)生了bulk_revoke,那么就會設為無鎖態(tài)，即001。
// bulk_revoke為批量撤銷，每次類發(fā)生bulk_rebais時（類的所有對象重設偏向鎖），類prototype_header中的epoch就會+1，當epoch達到一個閾值時，就會發(fā)生bulk_revoke，撤銷該類每個對象的偏向鎖，這樣該類的所有對象以后都不能使用偏向鎖了，其實也就是虛擬機認為該對象不適合偏向鎖。
load_prototype_header(tmp_reg, obj_reg);
// 將當前線程id和類的prototype_header相或，這樣得到的markOop為（當前線程id + prototype_header中的（epoch + 分代年齡 + 偏向鎖標志 + 鎖標志位）），注意prototype_header的分代年齡那4個字節(jié)為0
orptr(tmp_reg, r15_thread);
// 將上面計算得到的結果與鎖對象的markOop進行異或，tmp_reg中相等的位全部被置為0，只剩下不相等的位。
xorptr(tmp_reg, swap_reg);
Register header_reg = tmp_reg;
// 對((int) markOopDesc::age_mask_in_place)進行按位取反，age_mask_in_place為...0001111000,取反后，變成了...1110000111,除了分代年齡那4位，其他位全為1；
// 將取反后的結果再與header_reg相與，這樣就把header_reg中除了分代年齡之外的其他位取了出來，即將上面異或得到的結果中分代年齡給忽略掉。
andptr(header_reg, ~((int) markOopDesc::age_mask_in_place));
// 如果除了分代年齡，對象的markOop和（當前線程id+其他位）相等，那么上面與操作的結果應該為0，表明對象之前已經偏向當前線程，即markOop中存放有當前線程id，那么跳到done處，直接進入方法執(zhí)行即可；否則表明當前線程還不是偏向鎖的持有者，會接著往下走。
jcc(Assembler::equal, done);
3：走到這，表明鎖對象并沒有偏向當前線程，接下來判斷是否需要撤銷鎖對象的偏向。
// 將header_reg和111相與，如果結果不為0，則表明header_reg后三位存在不為0的位，證明之前進行異或時，類的prototype_header后面三位與對象markOop的后三位不相等，但是能走到這，表明對象markword后三位為101，即偏向模式。現(xiàn)在類的prototype_header和對象markOop后三位不相等，即對象所屬類不再支持偏向，發(fā)生了bulk_revoke，所以需要對當前對象進行偏向鎖的撤銷；否則表明目前該類還支持偏向鎖，接著往下走。
testptr(header_reg, markOopDesc::biased_lock_mask_in_place);
jccb(Assembler::notZero, try_revoke_bias);
4：走到這，表明鎖對象還支持偏向鎖，需要判斷當前對象的epoch是否合法，如果不合法，需要取進行重偏向。合法的話接著往下走。
// 測試對象所屬類的prototype_header中epoch是否為0，不為0的話則表明之前異或時，類的prototype_header中epoch和對象markOop的epoch不相等，表明類在對象分配后發(fā)生過bulk_rebais（）（前面提到過，每次發(fā)生bulk_rebaise,類的prototype header中的epoch都會+1），所以之前對象的偏向就無效了，需要進行重偏向。否則接著往下走。
testptr(header_reg, markOopDesc::epoch_mask_in_place);
jccb(Assembler::notZero, try_rebias);
5：走到這，表明鎖對象的偏向態(tài)合法，可以嘗試去獲取鎖，使對象偏向當前線程。
// 取出對象markOop中除線程id之外的其他位
andptr(swap_reg,
markOopDesc::biased_lock_mask_in_place | markOopDesc::age_mask_in_place | markOopDesc::epoch_mask_in_place);
// 將其他位移動至 tmp_reg。
movptr(tmp_reg, swap_reg);
// 將其他位和當前線程id進行或，構造成一個新的完整的32位markOop,存入tmp_reg中。新的markOop因為保存了當前線程id，所以會偏向當前線程。
orptr(tmp_reg, r15_thread);
// 嘗試利用CAS操作將新構成的markOop存入對象頭的mark_addr處，如果設置成功，則獲取偏向鎖成功。
// 這里說明下，cmpxchgptr操作會強制將rax寄存器（swap_reg）中內容作為老數(shù)據，與第二個參數(shù)，在這里即mark_addr處的內容進行比較，如果相等，則將第一個參數(shù)的內容，即tmp_reg中的新數(shù)據，存入mark_addr。
cmpxchgptr(tmp_reg, mark_addr); // compare tmp_reg and swap_reg
// 上面CAS操作失敗的情況下，表明對象頭中的markOop數(shù)據已經被篡改，即有其他線程已經獲取到偏向鎖，因為偏向鎖不容許多個線程訪問同一個鎖對象，所以需要跳到slow_case處，去撤銷該對象的偏向鎖，并進行鎖升級。
if (slow_case != NULL) {
jcc(Assembler::notZero, *slow_case);
}
// 上面CAS成功的情況下，直接就跳往done處，回去執(zhí)行方法的字節(jié)碼了。
jmp(done);
6：其實到這里，biased_locking_enter（）已經結束了，不過上面多處提到了try_rebais和try_revoke，這兩個其實就是匯編里的標號，它們對應的代碼也定義在biased_locking_enter中。
bind(try_rebias);
// 將鎖對象所屬類的prototype_header送入tmp_reg。
load_prototype_header(tmp_reg, obj_reg);
// 嘗試用CAS操作，使對象的markOop重置為無線程id的偏向鎖態(tài)，即不偏向任何線程。
cmpxchgptr(tmp_reg, mark_addr);
// 和第5步一樣，如果CAS失敗，則表明對象頭的markOop數(shù)據已經被其他線程更改，需要跳往slow_case進行撤銷偏向鎖，否則跳往done處，執(zhí)行字節(jié)碼。
if (slow_case != NULL) {
jcc(Assembler::notZero, *slow_case);
}
jmp(done);
bind(try_revoke_bias);
// 走到這，表明這個類的prototype_header中已經沒有偏向鎖的位了，即這個類的所有對象都不再支持偏向鎖了，但是當前對象仍為偏向鎖狀態(tài)，所以我們需要重置下當前對象的markOop為無鎖態(tài)。
// 將鎖對象所屬類的prototype_header送入tmp_reg。
load_prototype_header(tmp_reg, obj_reg);
// 嘗試用CAS操作，使對象的markOop重置為無鎖態(tài)。這里是否失敗無所謂，即使失敗了，也表明其他線程已經移除了對象的偏向鎖標志。
cmpxchgptr(tmp_reg, mark_addr);
//接下來會回到lock_object（）方法中，繼續(xù)輕量級鎖的獲取。
五：總結
上面根據同步方法講了一下偏向鎖，筆者在這上面也啃了差不多整個周六，原理看似很簡單，但是在很多細節(jié)不清楚的情況下去看源碼，尤其是這種全是匯編代碼時，往往是一臉懵逼。而且HotSpot用一個并不是對象的markOop去表示鎖，涉及到計算時更讓人糊涂。如果大家只是想稍微了解下原理，建議還是不要太深入源碼細節(jié)。。。。
