偏向锁、轻量级锁、重量级锁

接上一篇:剖析 Java并发关键字synchronized以及优化继续说一下锁膨胀具体过程中的三种锁。

1. 偏向锁

1.1 引入的目的

​ 为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径。因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS原子指令，而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令。

1.2 执行流程

获取锁：

1. 检测Mark Word是否为可偏向状态，即是否为偏向锁1，锁标识位为01；
2. 若为可偏向状态，则测试线程ID是否为当前线程ID，如果是，则执行步骤(5)，否则执行步骤(3)；
3. 如果线程ID不为当前线程ID，则通过CAS操作竞争锁，竞争成功，则将Mark Word的线程ID替换为当前线程ID，否则执行线程(4)；
4. 通过CAS竞争锁失败，证明当前存在多线程竞争情况，当到达全局安全点，获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码块；
5. 执行同步代码块。

释放锁：

​ 偏向锁的释放采用了只有竞争才会释放锁的机制，线程不会主动释放偏向锁，需要等待其他线程来竞争。

1. 暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象石是否还处于被锁定状态；
2. 撤销偏向锁，恢复到无锁状态(01)或者轻量级锁的状态。

当锁竞争比较激烈时，偏向锁会首先膨胀为轻量级锁。

2. 轻量级锁

2.1引入的目的

​ 在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗(多指时间消耗)。

2.2 执行流程

获得锁：

1. 判断当前对象是否处于无锁状态（hashcode、0、01），若是，则JVM首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝；
2. JVM利用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，如果成功表示竞争到锁，则将锁标志位变成00（表示此对象处于轻量级锁状态），执行同步操作；如果失败则执行步骤（3）；
3. 判断当前对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是则表示当前线程已经持有当前对象的锁，则直接执行同步代码块；否则只能说明该锁对象已经被其他线程抢占了，这时轻量级锁需要膨胀为重量级锁，锁标志位变成10，后面等待的线程将会进入阻塞状态。

释放锁：

1. 取出在获取轻量级锁保存在Displaced Mark Word中的数据；
2. 用CAS操作将取出的数据替换当前对象的Mark Word中，如果成功，则说明释放锁成功，否则执行（3）；
3. 如果CAS操作替换失败，说明有其他线程尝试获取该锁，则需要在释放锁的同时需要唤醒被挂起的线程。

长时间的自旋操作是非常消耗资源的，一个线程持有锁，其他线程就只能在原地空耗CPU，执行不了任何有效的任务，这种现象叫做忙等（busy-waiting）。如果多个线程用一个锁，但是没有发生锁竞争，或者发生了很轻微的锁竞争，那么synchronized就用轻量级锁，允许短时间的忙等现象。这是一种折衷的想法，短时间的忙等，换取线程在用户态和内核态之间切换的开销。

如果存在多个线程同一时间访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

3. 重量级锁

​ 重量级锁是指当有一个线程获取锁之后，其余所有等待获取该锁的线程都会处于阻塞状态。

​ 如果锁竞争情况严重，某个达到最大自旋次数的线程，会将轻量级锁升级为重量级锁（依然是CAS修改锁标志位，但不修改持有锁的线程ID）。当后续线程尝试获取锁时，发现被占用的锁是重量级锁，则直接将自己挂起（而不是忙等），等待将来被唤醒。

​ 简言之，就是所有的控制权都交给了操作系统，由操作系统来负责线程间的调度和线程的状态变更。而这样会出现频繁地对线程运行状态的切换，线程的挂起和唤醒，从而消耗大量的系统资源。