轻量级锁和偏向锁等

前置知识

对象的对象头的 mark word的组成结构：

 

1、轻量级锁

轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以 使用轻量级锁来优化。
轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是 synchronized
假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁
 

static final Object obj = new Object(); 
 public static void method1() {
     synchronized( obj ) {
             // 同步块 A
             method2();    
      } 
  } 
  public static void method2() {
      synchronized( obj ) {
              // 同步块 B    
      } 
  }

以下是 加锁和解锁的过程

1）创建锁记录（Lock Record）对象，每个栈帧的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的 Mark Word

2）让锁记录中 Object reference 指向锁对象，并尝试用 cas 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存 入锁记录

（为什么使用cas:保证交换操作的原子性，避免其他并发线程持有该锁)

3）如果 cas 替换成功，对象头中存储了 锁记录地址和状态 00 ，表示由该线程给对象加锁，这时图示如下

4）如果cas失败，有以下两种情况

      ① 如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程

      ② 如果是自己执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数

5）当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重 入

计数减一

当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象

头

        成功：则解锁成功

         失败：说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

 

2、锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有 竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。

1）当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁

2）这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程

即为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址

然后T1线程 自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED

3）当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，失败。这时会进入重量级解锁

流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程

 

3、自旋优化

重量级锁竞争的时候，还可以通过自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候，持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），此时当前线程就可以避免阻塞

为什么要有自旋锁：

线程阻塞要进行上下文切换，浪费系统资源

自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。

在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，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，总之，比较智能。

 

4、偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。

Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现 这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有

1）偏向状态

一个对象创建时：

如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，markword 值为 0x05 即后 3 位为 101，这时它的 thread、epoch、age 都为 0

偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，可以加 VM 参数 XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟

如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，markword 值为 0x01 即后 3 位为 001，这时它的 hashcode、 age 都为 0，第一次用到 hashcode 时才会赋值

 

2）撤销偏向锁状态的几种情况

①、调用对象的hashCode()方法

调用了对象的 hashCode，但偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id，如果调用 hashCode 会导致偏向锁被 撤销，升级为轻量级锁

轻量级锁会在锁记录中记录 hashCode

重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode

②、其他线程使用对象

当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁

③、调用 wait 和 notify时，会将偏向锁升级为重量级锁

 

3）重偏向

如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象 的 Thread ID

当撤销偏向锁阈值超过 20 次后，jvm 会这样觉得，我是不是偏向错了呢，于是会在给这些对象加锁时重新偏向至 加锁线程

 

5、锁消除

public void b() throws Exception {
         Object o = new Object();        
         synchronized (o) {
            x++;
        }
  }

此时 o 并没有逃离方法的作用范围，所以java编译期在编译时，会消除锁，来进行性能的优化