偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖

接上一篇:剖析 Java并發關鍵字synchronized以及優化繼續說一下鎖膨脹具體過程中的三種鎖。

1. 偏向鎖

1.1 引入的目的

​ 為了在無多線程競争的情況下盡量減少不必要的輕量級鎖執行路徑。因為輕量級鎖的擷取及釋放依賴多次CAS原子指令，而偏向鎖隻需要在置換ThreadID的時候依賴一次CAS原子指令。

1.2 執行流程

擷取鎖：

1. 檢測Mark Word是否為可偏向狀态，即是否為偏向鎖1，鎖辨別位為01；
2. 若為可偏向狀态，則測試線程ID是否為目前線程ID，如果是，則執行步驟(5)，否則執行步驟(3)；
3. 如果線程ID不為目前線程ID，則通過CAS操作競争鎖，競争成功，則将Mark Word的線程ID替換為目前線程ID，否則執行線程(4)；
4. 通過CAS競争鎖失敗，證明目前存在多線程競争情況，當到達全局安全點，獲得偏向鎖的線程被挂起，偏向鎖更新為輕量級鎖，然後被阻塞在安全點的線程繼續往下執行同步代碼塊；
5. 執行同步代碼塊。

釋放鎖：

​ 偏向鎖的釋放采用了隻有競争才會釋放鎖的機制，線程不會主動釋放偏向鎖，需要等待其他線程來競争。

1. 暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對象石是否還處于被鎖定狀态；
2. 撤銷偏向鎖，恢複到無鎖狀态(01)或者輕量級鎖的狀态。

當鎖競争比較激烈時，偏向鎖會首先膨脹為輕量級鎖。

2. 輕量級鎖

2.1引入的目的

​ 在沒有多線程競争的前提下，減少傳統的重量級鎖使用作業系統互斥量産生的性能消耗(多指時間消耗)。

2.2 執行流程

獲得鎖：

1. 判斷目前對象是否處于無鎖狀态（hashcode、0、01），若是，則JVM首先将在目前線程的棧幀中建立一個名為鎖記錄（Lock Record）的空間，用于存儲鎖對象目前的Mark Word的拷貝；
2. JVM利用CAS操作嘗試将對象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針，如果成功表示競争到鎖，則将鎖标志位變成00（表示此對象處于輕量級鎖狀态），執行同步操作；如果失敗則執行步驟（3）；
3. 判斷目前對象的Mark Word是否指向目前線程的棧幀，如果是則表示目前線程已經持有目前對象的鎖，則直接執行同步代碼塊；否則隻能說明該鎖對象已經被其他線程搶占了，這時輕量級鎖需要膨脹為重量級鎖，鎖标志位變成10，後面等待的線程将會進入阻塞狀态。

釋放鎖：

1. 取出在擷取輕量級鎖儲存在Displaced Mark Word中的資料；
2. 用CAS操作将取出的資料替換目前對象的Mark Word中，如果成功，則說明釋放鎖成功，否則執行（3）；
3. 如果CAS操作替換失敗，說明有其他線程嘗試擷取該鎖，則需要在釋放鎖的同時需要喚醒被挂起的線程。

長時間的自旋操作是非常消耗資源的，一個線程持有鎖，其他線程就隻能在原地空耗CPU，執行不了任何有效的任務，這種現象叫做忙等（busy-waiting）。如果多個線程用一個鎖，但是沒有發生鎖競争，或者發生了很輕微的鎖競争，那麼synchronized就用輕量級鎖，允許短時間的忙等現象。這是一種折衷的想法，短時間的忙等，換取線程在使用者态和核心态之間切換的開銷。

如果存在多個線程同一時間通路同一鎖的場合，就會導緻輕量級鎖膨脹為重量級鎖。

3. 重量級鎖

​ 重量級鎖是指當有一個線程擷取鎖之後，其餘所有等待擷取該鎖的線程都會處于阻塞狀态。

​ 如果鎖競争情況嚴重，某個達到最大自旋次數的線程，會将輕量級鎖更新為重量級鎖（依然是CAS修改鎖标志位，但不修改持有鎖的線程ID）。當後續線程嘗試擷取鎖時，發現被占用的鎖是重量級鎖，則直接将自己挂起（而不是忙等），等待将來被喚醒。

​ 簡言之，就是所有的控制權都交給了作業系統，由作業系統來負責線程間的排程和線程的狀态變更。而這樣會出現頻繁地對線程運作狀态的切換，線程的挂起和喚醒，進而消耗大量的系統資源。