Java如何避免重量级锁,Java 中锁是如何一步步膨胀的（偏向锁、轻量级锁、重量级锁）...
文章目錄
重量級(jí)鎖(Mutex Lock)
偏向鎖(比較 ThreadID)
偏向鎖獲取過程
偏向鎖的釋放
輕量級(jí)鎖(自旋)
輕量級(jí)鎖的加鎖過程
輕量級(jí)鎖的釋放
總結(jié)
重量級(jí)鎖(Mutex Lock)
Synchronized 是通過對(duì)象內(nèi)部的一個(gè)叫做監(jiān)視器鎖(monitor)來實(shí)現(xiàn)的。但是監(jiān)視器鎖本質(zhì)又是依賴于底層的操作系統(tǒng)的 Mutex Lock 來實(shí)現(xiàn)的。而操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換這就需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個(gè)成本非常高，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對(duì)比較長(zhǎng)的時(shí)間，這就是為什么 Synchronized 效率低的原因。因此，這種依賴于操作系統(tǒng) Mutex Lock 所實(shí)現(xiàn)的鎖我們稱之為“重量級(jí)鎖”。JDK 中對(duì) Synchronized 做的種種優(yōu)化，其核心都是為了減少這種重量級(jí)鎖的使用。JDK1.6 以后，為了減少獲得鎖和釋放鎖所帶來的性能消耗，提高性能，引入了自旋鎖、自適應(yīng)自旋鎖、輕量級(jí)鎖和偏向鎖。
明確 Java 線程切換的代價(jià)，是理解java中各種鎖的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)之一。
Java 對(duì)象頭中 markword 結(jié)構(gòu)。Java 對(duì)象的內(nèi)存布局及訪問方式
偏向鎖(比較 ThreadID)
Hotspot 的作者經(jīng)過以往的研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)情況下鎖不僅不存在多線程競(jìng)爭(zhēng)，而且總是由同一線程多次獲得。偏向鎖的目的是在某個(gè)線程獲得鎖之后，消除這個(gè)線程鎖重入(CAS)的開銷，看起來讓這個(gè)線程得到了偏護(hù)。引入偏向鎖是為了在無多線程競(jìng)爭(zhēng)的情況下盡量減少不必要的輕量級(jí)鎖執(zhí)行路徑，因?yàn)檩p量級(jí)鎖的獲取及釋放依賴多次 CAS 原子指令，而偏向鎖只需要在置換 ThreadID 的時(shí)候依賴一次 CAS 原子指令(由于一旦出現(xiàn)多線程競(jìng)爭(zhēng)的情況就必須撤銷偏向鎖，所以偏向鎖的撤銷操作的性能損耗必須小于節(jié)省下來的 CAS 原子指令的性能消耗)。輕量級(jí)鎖是為了在線程交替執(zhí)行同步塊時(shí)提高性能，而偏向鎖則是在只有一個(gè)線程執(zhí)行同步塊時(shí)進(jìn)一步提高性能。
偏向鎖獲取過程
訪問 Mark Word 中鎖標(biāo)志位是否為 01，是的話查看偏向鎖的標(biāo)識(shí)，如果是 1，則確認(rèn)為可偏向狀態(tài)；如果是 0 則為無鎖狀態(tài)，直接通過 CAS 操作競(jìng)爭(zhēng)鎖，如果競(jìng)爭(zhēng)失敗，執(zhí)行4。
如果為可偏向狀態(tài)，則測(cè)試線程 ID 是否指向當(dāng)前線程，如果是，進(jìn)入步驟5，否則進(jìn)入步驟3。
如果線程 ID 并未指向當(dāng)前線程，則通過 CAS 操作競(jìng)爭(zhēng)鎖。如果競(jìng)爭(zhēng)成功，則將 Mark Word 中線程 ID 設(shè)置為當(dāng)前線程 ID，然后執(zhí)行5；如果競(jìng)爭(zhēng)失敗，執(zhí)行4。
如果 CAS 獲取偏向鎖失敗，則表示有競(jìng)爭(zhēng)，開始鎖撤銷。
執(zhí)行同步代碼。
偏向鎖的釋放
偏向鎖使用了一種等到競(jìng)爭(zhēng)出現(xiàn)才釋放鎖的機(jī)制，所以當(dāng)其他線程嘗試競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖時(shí)，持有偏向鎖的線程才會(huì)釋放鎖，線程不會(huì)主動(dòng)去釋放偏向鎖。
當(dāng)獲得偏向鎖的線程到達(dá)全局安全點(diǎn)(safepoint)時(shí)暫停該線程，檢查該線程的狀態(tài)。
如果該線程存活且沒有退出同步代碼塊，則升級(jí)為輕量級(jí)鎖，并喚醒該線程從安全點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。
如果該線程沒有存活或者該線程已退出同步代碼塊，則將偏向鎖撤銷為無鎖狀態(tài)(鎖標(biāo)志位 01，偏向鎖標(biāo)識(shí) 0)喚醒該線程。
到達(dá)安全點(diǎn) safepoint 會(huì)導(dǎo)致 stop the word，時(shí)間很短。
輕量級(jí)鎖(自旋)
輕量級(jí)是相對(duì)于使用操作系統(tǒng)互斥量來實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)鎖而言的。但是，首先需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，輕量級(jí)鎖并不是用來代替重量級(jí)鎖的，它的本意是在沒有多線程競(jìng)爭(zhēng)的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖使用產(chǎn)生的性能消耗。在解釋輕量級(jí)鎖的執(zhí)行過程之前，先明白一點(diǎn)，輕量級(jí)鎖所適應(yīng)的場(chǎng)景是線程交替執(zhí)行同步塊的情況，如果存在同一時(shí)間訪問同一鎖的情況，就會(huì)導(dǎo)致輕量級(jí)鎖膨脹為重量級(jí)鎖。
輕量級(jí)鎖的加鎖過程
1、訪問對(duì)象的 Mark Word 中鎖標(biāo)識(shí)位，如果為 00，JVM 會(huì)先在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個(gè)名為鎖記錄(Lock Record)的空間，用于存儲(chǔ)鎖對(duì)象目前的 Mark Word 的拷貝，官方稱之為 Displaced Mark Word。這時(shí)候線程堆棧與對(duì)象頭的狀態(tài)如圖所示。(注：該圖僅作為參考，我認(rèn)為該圖可能存在問題)
2、將對(duì)象頭中的 Mark Word 復(fù)制到鎖記錄中；
3、拷貝成功后，虛擬機(jī)將使用 CAS 操作嘗試將對(duì)象的 Mark Word 更新為指向 Lock Record 的指針，并將 Lock Record 里的 owner 指針指向 object mark word。如果更新成功，則執(zhí)行步驟4，否則執(zhí)行步驟5。
4、如果這個(gè)更新動(dòng)作成功了，那么這個(gè)線程就擁有了該對(duì)象的鎖，此時(shí) Mark Word 的鎖標(biāo)識(shí)為 00，這時(shí)候線程堆棧與對(duì)象頭的狀態(tài)如圖所示。(注：該圖僅作為參考，我認(rèn)為該圖可能存在問題)
5、如果這個(gè)更新操作失敗了，虛擬機(jī)首先會(huì)檢查對(duì)象的 Mark Word 是否指向當(dāng)前線程的棧幀，如果是就說明當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了這個(gè)對(duì)象的鎖，那就可以直接進(jìn)入同步塊繼續(xù)執(zhí)行。否則當(dāng)前線程便嘗試使用自旋來獲取鎖(自旋就是為了不讓線程阻塞，而采用循環(huán)去獲取鎖的過程)，自旋達(dá)到一定次數(shù)后 CAS 操作依然沒有成功，輕量級(jí)鎖就要膨脹為重量級(jí)鎖，鎖標(biāo)識(shí)設(shè)置為 10，Mark Word 中存儲(chǔ)的就是指向重量級(jí)鎖(monitor)的指針，當(dāng)前線程以及后面等待鎖的線程便會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)。
輕量級(jí)鎖的釋放
輕量級(jí)鎖解鎖時(shí)，持有鎖的線程會(huì)使用 CAS 原子操作將 Mark Word 替換回到對(duì)象頭，如果成功，則表示沒有競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生。如果失敗，釋放鎖并喚醒那些被掛起的線程。
總結(jié)
偏向鎖
偏向鎖只會(huì)在第一次請(qǐng)求鎖時(shí)使用 CAS 操作，并在鎖對(duì)象的標(biāo)記字段中記錄當(dāng)前線程 ID。在此后的運(yùn)行過程中，僅需比較線程 ID，消除這個(gè)線程鎖重入(CAS)的開銷。針對(duì)的是鎖僅會(huì)被同一線程持有的狀況。
輕量級(jí)鎖
輕量級(jí)鎖采用 CAS 操作，減少了傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖使用產(chǎn)生的性能消耗。針對(duì)的是多個(gè)線程在不同時(shí)間段申請(qǐng)同一把鎖的情況。
重量級(jí)鎖
重量級(jí)鎖會(huì)阻塞、喚醒請(qǐng)求加鎖的線程，會(huì)導(dǎo)致線程上下文切換。針對(duì)的是多個(gè)線程同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)同一把鎖的情況。JVM 采用自適應(yīng)自旋，來避免在面對(duì)非常小的同步代碼塊時(shí)，仍會(huì)被阻塞和喚醒的狀況。
參考文章：
https://blog.csdn.net/zhao_miao/article/details/84500771
https://blog.csdn.net/zqz_zqz/article/details/70233767
總結(jié)
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