（4.6）轻量级锁（锁膨胀、锁自选、偏向锁、锁消除）

4.6 轻量级锁、偏向锁——Monitor升级

JDK6之前的加锁方式是：关联锁对象到Monitor进行加锁，Monitor是由操作系统提供的，加锁代价高。

JDK6之后，对加锁方式进行了优化，引入了轻量级锁、偏向锁等。

1. 轻量级锁

如果一个对象虽然有多个线程要加锁，但是加锁的时间是错开的（没有竞争），可以使用轻量级锁来优化。

如果这时有其他线程来获取轻量级锁，则被阻塞，加锁线程将轻量级锁升级为Monitor锁。

假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁

private static final Object lock = new Object();

public static void method1() {
        synchronized (lock) {
            log.info("method1....");
            method2();
        }
}

private static void method2() {
        synchronized (lock) {
            log.info("method2...");
        }
}

• synchronized加锁时，在栈帧中创建锁记录（Lock Record）。 锁记录的组成：

  • 锁对象指针（Lock Record address）：锁对象指针记录锁对象的地址
  • 锁记录地址（Object reference）：锁记录地址记录锁对象的Markword。

• 让Object reference指向锁对象；然后尝试用锁记录地址CAS替换锁对象的MarkWord。

• 如果成功，则MarkWord的值存入锁记录中，对象头的MarkWord存储了锁记录地址和状态00

• 如果失败，则说明

  • 对象锁已经持有了其他线程的轻量级锁（对象头的状态为00），这时表示有竞争，进入锁膨胀状态
  • 对象锁持有了自己的锁（锁对象状态为00， 并且存储的锁记录地址是自己的锁记录的地址），表示执行了synchronized锁重入，则在栈帧中在创建一条锁地址为null的LockRecord，用于重入计数。

  

• 解锁时，是null的锁记录，表示有重入，这时清除锁记录，同时重入计数-1

• 解锁时，是不为null的锁记录，则尝试cas恢复MarkWord给锁对象

  • 成功，解锁成功
  • 失败，则说明有竞争，轻量级锁已经升为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

2. 锁膨胀

线程尝试CAS加轻量级锁时，失败，如果情况是有其他线程已经对锁对象加上了轻量级锁，则进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。

• 线程1尝试CAS加锁时，线程0已经对该对象加了轻量级锁

• 进入锁膨胀。为锁对象申请Monitor锁，让锁对象的MarkWord指向Monitor，状态变为10； Monitor的Own指向线程0；自己进入EntryList进入阻塞状态

• 线程0解锁时，尝试CAS将MarkWord恢复给锁对象，失败。说明已经锁膨胀。通过锁对象的MarkWord找到Monitor地址；将Owner设为null；唤醒EntryL中的阻塞线程，让阻塞线程获取重量级锁；Monitor记录线程的Hashcode。
• 线程1解锁时，没有阻塞线程，将锁Hashcode age bias 01恢复给锁对象，解锁。

3. 锁自旋

重量级锁竞争时，竞争线程进入EntryList阻塞前，还可以使用自旋来优化，如果自旋成功，就避免了阻塞带来的上下文切换。

JDK6的自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会 高，就多自旋几次;反之，就少自旋甚至不自旋。

JDK7之后无法控制是否开启自旋锁。

优点：

• 避免阻塞带来的上下文切换

缺点：

• 自旋会占用CPU时间，多核自旋才能发挥优势

4. 偏向锁

当轻量级锁（没有竞争，就自己这个线程）+ 锁重入时，每次都需要生成锁记录，并尝试CAS替换对象头的MarkWord操作。

JDK6引入偏向锁做进一步优化： 只有第一次加锁时，不需要生成锁记录，将线程ID设置到锁对象的MarkWord中；之后锁重入时，检查MarkWord是否是自己的线程ID，只要不发生竞争，则可以一直使用偏向锁。

优点：避免了每次加锁都需要生成锁记录，并CAS的过程。

5. 撤销偏向锁

（1）调用hashcode

调用hashcode会撤销偏向锁，因为偏向锁的锁对象MarkWord存储的是线程ID，调用偏向锁会导致偏向锁被撤销。

• 轻量级锁在锁记录中存储hashcode
• 重量级锁在Monitor中记录hashcode

（2） 其他线程交错使用锁对象

会将偏向锁升级为轻量级锁

（3） 其他线程竞争使用锁对象

将偏向锁升级为重量级锁

（4） 调用wait/notify

wait、notify是重量级锁才有的机制，调用它们会将偏向锁升级为重量级锁

6. 批量重偏向

锁对象偏向线程1，这时有线程2交替获取锁，会撤销包含线程1ID的偏向锁（线程ID变为线程2ID，释放锁后，偏向锁ID恢复为线程1ID）；

当阈值超过20此后，会在加锁时重新偏向线程2（即将锁对象的线程ID替换为线程2的ID）

7. 批量撤销

当撤销偏向锁次数超过40，JVM意识到重偏向也不对，于是整个类的所有对象都变为不可偏向锁，新创建的对象也是不可偏向锁。

8. 锁消除

如果锁对象是局部的、不同享的、没有竞争的，则JIT即时编译器会对代码进行优化，执行时不加锁。提高运行效率。

锁消除默认开启，关闭锁消除：

java -XX:-EliminateLocks -java HelloConcurrent.jar

手动开启锁消除

java -XX:EliminateLock -java HelloConcurrent.jar