Java中锁的四种状态以及锁升级过程

Java中加锁的最简单方式就是加synchronized关键字，但它是一种重量级锁，会涉及到操作系统状态的切换影响效率，所以JDK1.6中对synchronized进行了各种优化，为了能减少获取和释放锁带来的消耗引入了偏向锁和轻量锁。

Synchronized 优化

锁升级

在Java中锁的状态一共有四种，级别由低到高分别是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。

1. 对象头

在Java中锁不是某一个具体的实物资源，而是对象上的某个标记，而这个标记就记录在对象头上。

Mark Word（对象头）内部：

2. 无锁

对象头中有1bit来表示是否是偏向锁，2bit存放锁标志位，偏向锁位与锁标志位合起来“001”就代表无锁。无锁就是没有对任何资源进行锁定，所有线程都能访问并修改资源。

3. 偏向锁

对象头中记录了获得偏向锁的线程ID，偏向锁与锁标志位合起来“101”就代表偏向锁。

为什么要引入偏向锁？

有研究发现大多数时候是不存在锁竞争的，常常是一个线程多次获得同一个锁，因此如果每次都要竞争锁会增大很多没有必要付出的代价，为了降低获取锁的代价，才引入的偏向锁。

偏向锁的升级

当线程访问代码块并获取锁对象时，会将获得锁的线程ID写入到锁对象Mark Word中。当线程访问资源结束后，不会主动释放锁。当线程再次需要访问资源时，JVM就会通过Mark Word中记录的线程ID判断是否是当前线程，如果是就继续访问资源，无需使用CAS来加锁、解锁。
所以在没有其他线程参与竞争时，锁就一直偏向被当前线程持有，当前线程就可以一直占用资源或者执行代码。

如果不一致，需要查看Mark Word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，那么立刻查找该记录线程的栈帧信息
  • 如果该记录线程还需要继续持有这个锁对象，那么会撤销偏向锁，升级为轻量级锁
  • 如果该记录线程不再使用该锁对象，那么将锁对象状态设为无锁状态，重新偏向新的线程

4. 轻量级锁(自旋锁)

一旦有另外一个线程参与锁竞争，偏向锁就会升级为轻量级锁(自旋锁)，此时撤销偏向锁，锁标志位变为“00”。

为什么要引入轻量级锁？

轻量级锁考虑的是竞争锁对象的线程不多，而且线程持有锁的时间也不长的情景。

因为阻塞线程需要CPU从用户态转到内核态，代价较大，如果刚刚阻塞不久这个锁就被释放了，那这个代价就有点得不偿失了，因此这个时候就干脆不阻塞这个线程，让它自旋这等待锁释放。

轻量级锁的升级

竞争的两个线程都在各自的线程栈帧中生成一个Lock Record空间，用于存储锁对象目前Mark Word的拷贝（称为DisplacedMarkWord），用CAS操作将Mark Word设置为指向自己这个线程的Lock Record指针，设置成功者获得锁，其他参与竞争的线程如果未获取到锁，则会一直处于自旋等待的状态，直到竞争到锁。

但是如果自旋的时间太长也不行，因为自旋是要消耗CPU的，因此自旋的次数是有限制的，比如10次或者100次。当竞争的线程自旋次数到了，然而持有锁的线程还没有释放锁，这个时候轻量级锁就会膨胀为重量级锁。重量级锁把除了拥有锁的线程都阻塞，防止CPU空转。

5. 重量级锁

长时间的自旋操作是很消耗CPU资源的，为了避免这种盲目的消耗，JVM会在有线程超过10次自旋，或者自旋次数超过CPU核数的一半（JDK1.6以后加入了自适应自旋-Adaptive Self Spinning，由JVM自己控制自旋次数）时，会升级到重量级锁。

重量级锁底层是依赖操作系统的mutex互斥锁，也就是有操作系统来负责线程间的调度。

重量级锁减少了自旋锁带来的CPU消耗，但是由于操作系统调度线程带来的线程阻塞会使程序响应速度变慢。

6. 偏向锁、轻量级锁、重量级锁的对比

锁粗化

按理来说，同步块的作用范围应该尽可能小，仅在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样做的目的是为了使需要同步的操作数量尽可能缩小，缩短阻塞时间，如果存在锁竞争，那么等待锁的线程也能尽快拿到锁。但是加锁解锁也需要消耗资源，如果存在一系列的连续加锁解锁操作，可能会导致不必要的性能损耗。

锁粗化就是将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起，扩展成一个范围更大的锁，避免频繁的加锁解锁操作。

锁消除

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，经过逃逸分析，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。