【多線程】Java的各種鎖機制、鎖的優化/更新（無鎖、偏向鎖、自旋鎖、重量級鎖）

1、各種鎖概括

2、樂觀鎖與悲觀鎖

其實樂觀鎖和悲觀鎖隻是一種思想，是對于線程同步的不同看法。

悲觀鎖

擷取同步資料的時候會加鎖，以防止被其他線程修改。

對于同一個資料的并發操作，悲觀鎖認為自己在使用資料的時候一定有别的線程來修改資料，是以在擷取資料的時候會先加鎖，確定資料不會被别的線程修改。Java中，synchronized關鍵字和Lock的實作類都是悲觀鎖。

樂觀鎖

不會添加鎖，但是會在更新資料的時候判斷資料是否和之前一樣（Compare and Swap）。

如果這個資料沒有被更新，目前線程将自己修改的資料成功寫入。如果資料已經被其他線程更新，則根據不同的實作方式執行不同的操作（例如報錯或者自動重試）。最常采用的是CAS算法，Java原子類中的遞增操作就是通過CAS自旋實作的。

簡單說一下CAS的缺點：

1、ABA問題；

JDK從1.5開始提供了AtomicStampedReference類來解決ABA問題，具體操作封裝在compareAndSet()中。compareAndSet()首先檢查目前引用和目前标志與預期引用和預期标志是否相等，如果都相等，則以原子方式将引用值和标志的值設定為給定的更新值。

2、不斷自旋循環時間太長開銷大；

3、隻能保證一個共享變量的原子操作。

Java從1.5開始JDK提供了AtomicReference類來保證引用對象之間的原子性，可以把多個變量放在一個對象裡來進行CAS操作。

對比

• 悲觀鎖适合寫操作較多的場景，先加鎖可以保證寫操作時資料正确。
• 樂觀鎖适合讀操作多的場景，不加鎖的特點能夠使其讀操作的性能大幅提升。

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3、自旋鎖和适應性自旋鎖

自旋鎖

由于阻塞和喚醒一個Java線程需要作業系統切換CPU狀态來完成，這種狀态轉換需要耗費處理器時間，而在許多場景中，同步資源鎖定的時間比較短，是以可以讓請求鎖的線程稍等一段時間（自旋），假如自旋完成後鎖定同步資源的線程已經釋放了鎖，那麼目前線程就可以不必阻塞而是直接擷取同步資源。

但是雖然自旋避免了線程切換的開銷，但是要占用處理器時間，自旋時間太久會浪費處理器資源，是以自旋等待有限制次數，預設是10次（可以使用-XX:PreBlockSpin來更改），假如沒有成功獲得鎖，那麼就應該挂起線程。

阻塞或喚醒一個Java線程需要作業系統切換CPU狀态來完成，這種狀态轉換需要耗費處理器時間。如果同步代碼塊中的内容過于簡單，狀态轉換消耗的時間有可能比使用者代碼執行的時間還要長。

在許多場景中，同步資源的鎖定時間很短，為了這一小段時間去切換線程，線程挂起和恢複現場的花費可能會讓系統得不償失。如果實體機器有多個處理器，能夠讓兩個或以上的線程同時并行執行，我們就可以讓後面那個請求鎖的線程不放棄CPU的執行時間，看看持有鎖的線程是否很快就會釋放鎖。

而為了讓目前線程“稍等一下”，我們需讓目前線程進行自旋，如果在自旋完成後前面鎖定同步資源的線程已經釋放了鎖，那麼目前線程就可以不必阻塞而是直接擷取同步資源，進而避免切換線程的開銷。這就是自旋鎖。

适應性自旋鎖

自旋鎖在JDK1.4.2中引入，使用-XX:+UseSpinning來開啟。JDK 6中變為預設開啟，并且引入了自适應的自旋鎖（适應性自旋鎖）。

自适應意味着自旋的時間（次數）不再固定，而是由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀态來決定。

如果在同一個鎖對象上，自旋等待剛剛成功獲得過鎖，并且持有鎖的線程正在運作中，那麼虛拟機就會認為這次自旋也是很有可能再次成功，進而它将允許自旋等待持續相對更長的時間。如果對于某個鎖，自旋很少成功獲得過，那在以後嘗試擷取這個鎖時将可能省略掉自旋過程，直接阻塞線程，避免浪費處理器資源。

在自旋鎖中 另有三種常見的鎖形式:TicketLock、CLHlock和MCSlock。

4、鎖的更新

這四種鎖指的是鎖的狀态，專門針對synchronized的。

Synchronized實作線程同步的原理

synchronized是悲觀鎖，在操作同步資源之前需要給同步資源先加鎖，這把鎖就是存在Java對象頭裡的

Java對象頭： Mark Word（标記字段）、Klass Pointer（類型指針）

MarkWord：存儲了預設存儲對象的HashCode，分代年齡和鎖标志位資訊。在運作期間MarkWord裡存儲的資料會随着鎖标志位的變化而變化。

Klass Pointer：對象指向它的類中繼資料的指針，虛拟機通過這個指針來确定這個對象是哪個類的執行個體。

Monitor： 它是依賴于底層作業系統的Mutex Lock互斥鎖（Monitor enter、Monitor exit）來實作的線程同步。

synchronized最初實作同步就是依賴的Mutex Lock，效率低，是重量級鎖。

Monitor是線程私有的資料結構，每一個線程都有一個可用monitor record清單，同時還有一個全局的可用清單。每一個被鎖住的對象都會和一個monitor關聯，同時monitor中有一個Owner字段存放擁有該鎖的線程的唯一辨別，表示該鎖被這個線程占用。

為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，引入了 偏向鎖 和 輕量級鎖。

優化Synchronzied（更新）：

更新過程：無鎖—>偏向鎖—>輕量級鎖—>重量級鎖

• 無鎖 無鎖狀态，不需要加鎖解鎖（标志位01）；

沒有對資源進行鎖定，所有的線程都能通路并修改同一個資源，但同時隻有一個線程能修改成功。

while{有沖突就不修改，不沖突就修改}

• 偏向鎖 然後當有一個線程開始通路同步塊時，該線程會自動擷取鎖（降低擷取鎖的代價），更新為偏向鎖。（更新主要就是改變對象頭的MARKWORD）

優點： 加鎖解鎖不需要額外的消耗，适用于隻有一個線程通路同步塊場景；

缺點： 如果線程間存在鎖競争，會帶來額外鎖撤銷的開銷。（隻要有線程競争資源，就撤銷鎖）

第一次線程通路同步塊并擷取鎖時，會在MarkWord裡存儲鎖偏向的線程ID，通過CAS修改對象頭内容，讓鎖對象變成偏向鎖；

第二次到達該同步塊，會檢測Mark Word裡是否存儲着指向目前線程的偏向鎖，判斷此時持有鎖的線程是否是自己，是的話不需要加鎖，正常往下執行。（是以，當隻有一個線程操作的時候，幾乎不需要啥加鎖解鎖的開銷）

偏向鎖隻有遇到其他線程嘗試競争偏向鎖時，持有偏向鎖的線程才會釋放鎖，線程不會主動釋放偏向鎖。偏向鎖的撤銷，需要等待全局安全點（在這個時間點上沒有位元組碼正在執行），它會首先暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對象是否處于被鎖定狀态。撤銷偏向鎖後恢複到無鎖（标志位為“01”）或輕量級鎖（标志位為“00”）的狀态。

偏向鎖在JDK 6及以後的JVM裡是預設啟用的。可以通過JVM參數關閉偏向鎖：-XX:-UseBiasedLocking=false，關閉之後程式預設會進入輕量級鎖狀态。

• 自旋鎖 然後遇到其他線程嘗試競争偏向鎖時，更新為自旋鎖（輕量級鎖，标志位00）

優點： 競争的線程不會阻塞，提高了程式的響應速度，适用于追求響應速度，同步塊執行速度快的場景；

缺點： 如果始終得不到競争的資源，使用自旋會消耗CPU

在輕量級鎖狀态下繼續鎖競争，沒有搶到鎖的線程将自旋，即不停地循環判斷鎖是否能夠被成功擷取。

能等就不要出動作業系統，畢竟開銷太大了

在代碼進入同步塊的時候，如果同步對象鎖狀态為無鎖狀态（鎖标志位為“01”狀态，是否為偏向鎖為“0”），虛拟機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，然後拷貝對象頭中的Mark Word複制到鎖記錄中。

拷貝成功後，虛拟機将使用CAS操作嘗試将對象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針，并将Lock Record裡的owner指針指向對象的Mark Word。

如果這個更新動作成功了，那麼這個線程就擁有了該對象的鎖，并且對象Mark Word的鎖标志位設定為“00”，表示此對象處于輕量級鎖定狀态。

如果輕量級鎖的更新操作失敗了，虛拟機首先會檢查對象的Mark Word是否指向目前線程的棧幀，如果是就說明目前線程已經擁有了這個對象的鎖，那就可以直接進入同步塊繼續執行，否則說明多個線程競争鎖。

若目前隻有一個等待線程，則該線程通過自旋進行等待。但是當自旋超過一定的次數，或者一個線程在持有鎖，一個在自旋，又有第三個來訪時，輕量級鎖更新為重量級鎖。

• 重量級鎖 自旋十次失敗後，更新為重量級鎖（标志位11）

優點： 不使用自旋，不會消耗CPU，适用于追求吞吐量，同步塊執行速度較慢的場景。

缺點： 線程阻塞，響應時間緩慢

鎖标志的狀态值變為“10”，此時Mark Word中存儲的是指向重量級鎖的指針，此時等待鎖的線程都會進入阻塞狀态。

之是以重量級，是因為它的實作依賴于低層作業系統的Mutex Lock（互斥鎖）實作的，而作業系統實作線程的切換需要從使用者态轉換為核心态，成本非常高。

5、公平鎖與非公平鎖

參考部落格：

深度分析：鎖更新過程和鎖狀态，看完這篇你就懂了！

https://www.cnblogs.com/zhengzhiwei/p/13139326.html