多线程锁的升级

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什么是锁升级(锁膨胀)？

　　JVM优化synchronized的运行机制，当JVM检测到不同的竞争状态时，就会根据需要自动切换到合适的锁，这种切换就是锁的升级。升级是不可逆的，也就是说只能从低到高，也就是偏向-->轻量级-->重量级，不能够降级

　　锁级别：无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁

java对象头

　　synchronized用的锁存在Java对象头里，Java对象头里的Mark Word默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位。在运行期间，Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。32位JVM的Mark Word可能变化存储为以下5种数据：

CAS

　　compareAndSwap，比较并替换，是一种实现并发算法时常用到的技术CAS需要有3个操作数：内存地址V，旧的预期值A，即将要更新的目标值B；比如你要操作一个变量，他的值为A，你希望将他修改为B，这期间不会进行加锁，当你在修改的时候，你发现值仍旧是A，然后将它修改为B，如果此时值被其他线程修改了，变成了C，那么将不会进行值B的写入操作，这就是CAS的核心理论，通过这样的操作可以实现逻辑上的一种“加锁”，避免了真正去加锁。

实例自增代码：

public final int incrementAndGet() {
        for (; ; ) {                    //自旋
            int current = get();        //旧值
            int next = current + 1;     //新值
            if (compareAndSet(current, next))  //如果旧的预期值与内存中的值一致，那么将新值进行赋值，否则继续自旋
                return next;
        }
    }

 偏向锁

　　当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧的锁记录里存储偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需测试Mark Word里线程ID是否为当前线程。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要判断偏向锁的标识。如果标识被设置为0（表示当前是无锁状态），则使用CAS竞争锁；如果标识设置成1（表示当前是偏向锁状态），则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程，触发偏向锁的撤销。偏向锁只有在竞争出现才会释放锁。当其他线程尝试竞争偏向锁时，程序到达全局安全点后（没有正在执行的代码），它会查看Java对象头中记录的线程是否存活，如果没有存活，那么锁对象被重置为无锁状态，其它线程可以竞争将其设置为偏向锁；如果存活，那么立刻查找该线程的栈帧信息，如果还是需要继续持有这个锁对象，那么暂停当前线程，撤销偏向锁，升级为轻量级锁，如果线程1不再使用该锁对象，那么将锁对象状态设为无锁状态，重新偏向新的线程。

　　偏向锁应用的场景是一个同步代码块只有一个线程频繁访问，使用偏向锁，就不需要频繁使用CAS获取锁和释放锁，只需要简单判断对象头中记录的偏向锁的线程ID是否是当期线程的就可以了，所以偏向锁在这种场景下可以大大提升效率。

轻量级锁

　　线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头的MarkWord复制到锁记录中，即Displaced Mark Word。然后线程会尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁。如果失败，表示其他线程在竞争锁，当前线程使用自旋来获取锁。当自旋次数达到一定次数时，锁就会升级为重量级锁。

　　当线程存在竞争时，偏向锁的效率就会降低，因为当多条线程竞争同一个偏向锁时，会频繁产生偏向锁的撤销，所以此时应该升级为轻量级锁，轻量级锁当线程竞争锁失败时，线程不会阻塞进入自旋，继续获取锁，当竞争非常激烈时，持续自旋而获取不到锁会消耗大量CPU资源，此时就会升级为重量级锁，重量级锁当获取锁失败线程会阻塞，重量级锁的缺点是线程上下文会频繁的切换。

synchronized优化-锁消除

　　消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，这种优化更彻底，Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的请求锁时间，如下StringBuffer的append是一个同步方法，但是在add方法中的StringBuffer属于一个局部变量，并且不会被其他线程所使用，因此StringBuffer不可能存在共享资源竞争的情景，JVM会自动将其锁消除。

public void add(String str1,String str2){
　　　　　　//当前的sb只是一个局部变量，不会发生线程不安全
         StringBuffer sb = new StringBuffer();
         sb.append(str1).append(str2);
}