簡單了解重量級鎖、輕量級鎖、偏向鎖

全文使用synchronized來說明。

synchronized給對象上鎖，先上偏向鎖，在上輕量級鎖，最後上重量級鎖。上什麼鎖，是gvm根據競争程度自行變換的。

重量級鎖

計算機作業系統本有Monitor對象，稱為管程。在java裡面看不到此對象。

每個Java對象都可以關聯一個monitor對象，如果使用了synchronized給對象上重量級鎖後，該對象的Mark word就被設定指向monitor對象的指針。

Monitor對象結構

• WaitSet:是線程等待隊列。狀态為WAITING
• EntryList:線程阻塞隊列.狀态為BLOCKED
• Owner:正在執行的線程（可能很多線程競争一個資源，但隻有一個線程能夠成功，此時Owner就置為此線程）

原理

1. 建立的對象，此時Mark Word關聯一個Monitor對象（即Mark Word記錄一個monitor對象的位址）。此時Monitor對象裡面的Owner為null.

   因為還沒有線程去獲得Monitor鎖。

   

2. 多個線程競争，隻有線程1成功。其他進入阻塞隊列。（或者說，隻要owner非空，那麼其他線程就要進入阻塞隊列）

   當線程1執行完畢後，通知阻塞隊列裡的線程，引起它們的非公平性競争。

   

3. 若此時Owner線程調用wait方法，那麼會進入WaitSet。

   當被喚醒時（如調用notify()）會進入EntryList重新競争。

輕量級鎖

如果一個對象雖然有多線程通路，但多線程通路的時間是錯開的（或者說沒有競争）的話，可以使用輕量級鎖來優化。

當有競争時，會發生鎖膨脹，變為重量級鎖，

java 對象頭

以32為虛拟機為例

普通對象是：

• Klass Word:是一個指針，通過他可以知道是個啥類對象
• Mark Word:

  

  如 Normal ，即沒有上鎖，末尾兩位是01；輕量級鎖是00

  下面用Hashcode age Bias 01 代替最初的Mark Word

原理

每個線程的棧幀都會包含一個鎖記錄的結構，内部可以儲存鎖對象的Mark Word

• 當線程執行到臨界區代碼時，對obj上鎖。讓鎖記錄中的Object reference 指向鎖對象，并嘗試用cas替換Object的Mark Word,将 Mark Word的值存入鎖記錄。
  • cas替換成功：那麼Object對象就會存儲鎖記錄狀态00和位址 ，表示由該線程給對象加鎖。 當Mark Word末尾是01時，才可以替換成功

    

  • cas替換失敗
    • case 1：其他線程已經持有了改Object的輕量級鎖，表明有競争，進入鎖膨脹過程
    • case 2：自己執行synchronized鎖重入，再添加一條Lock Record作為重入的計數

      

      此時進行cas操作自然會失敗。

      最後再講鎖膨脹。

  • 解鎖
    • 當Lock Record 記錄裡面存在null,說明存在重進入，這時重置鎖記錄，表示重進入計數減一
    • 鎖記錄不為空,這時用cas操作把鎖記錄裡面儲存的Mark Word替換給對象頭
      • 成功則解鎖成功
      • 失敗說明進行了鎖膨脹或已經更新為重量級鎖，進入重量級鎖的解鎖流程。

鎖膨脹

在嘗試加輕量級鎖的過程中，CAS操作無法成功，一個原因就是有其他線程為此對象加上了輕量級鎖，這時需要進行鎖膨脹，将輕量級鎖變為重量級鎖。

如線程1持有object的鎖，這時線程2也想要，但進行cas操作失敗，這時候會發生：

• 為object對象申請Monitor鎖，讓object指向重量級鎖位址（此時後兩位為10，即重量級鎖）
• 然後線程2進入Monitor的EntryList阻塞

  

  當線程1執行完後，想要退出臨界區，使用cas将Mark Word的值替換給對象頭，但是會失敗。因為object的Mark Word後兩位變為10，已經不再是00了。

  這時按照Monitor位址找到monitor對象，設定Owner為null，再喚醒線程2.

偏向鎖

如果隻有一個線程，它多次重進入，那會多次建立空的鎖記錄，作為鎖重入的計數。

是以，java 6中引入了偏向鎖來做進一步優化：隻有第一次使用CAS将線程ID設定到對象的Mark Word，之後隻要發現這個線程ID是自己的就表示沒有發生競争，不用重新CAS。以後隻要不發生競争，這個對象就歸該線程所有。

當線程請求到鎖對象後，将鎖對象的狀态标志位改為01，即偏向模式。然後使用CAS操作将線程的ID記錄在鎖對象的Mark Word中。以後該線程可以直接進入同步塊，連CAS操作都不需要。但是，一旦有第二條線程需要競争鎖，那麼偏向模式立即結束，進入輕量級鎖的狀态。

參考：https://www.bilibili.com/video/BV16J411h7Rd?from=search&seid=659615821890387531