Java的锁升级策略

什么是锁？

java中，synchronized永远都是锁定的一个对象，那么jvm是怎么判断一个对象是被锁定的呢。

java的对象内存分布

Java的对象由对象头，对象体和填充空间（Padding）组成。

• 对象头
  对象的描述信息
• 实例数据
  对象的实际内容
• 填充空间
  JVM要求对象的大小必须是8字节的整倍数，当实例数据不是8字节的整倍数时，需要填充空间来补上

Java对象头的内容

• Mark Word
  是对象头的核心内容，记录了对象的锁信息
• 类型指针
  指向对象类的元数据
• 数组长度
  如果对象是数组，那还要有数据记录数组的长度

Mark Word的组成

下图为32bit的JVM虚拟机中，Mark Word的组成：

MarkWord通过标志位来记录对象当前的锁信息。不同标示位的情况下，Mark Word记录的数据不一样。

锁的区别

无锁（01）

无锁状态下，对象不具备排他性，此时所有线程都可以直接访问这个对象。

偏向锁（01）

偏向锁实际上就是无锁，此时标记字记录的是当前操作这个对象的线程ID。

轻量级锁（00）

此时对象被锁定，标记字指向持有当前对象的线程的地址。等待的线程会进入自旋状态，通过CAS来争抢锁。

重量级锁（10）

此时对象被锁定，标记字指向当前对象的Monitor（对象监视器）的地址。等待的线程会进入阻塞状态。

锁的升级过程

Java的锁只会升级，不会降级。当锁全部被释放后，会回到初始状态，等待再次被升级。

初始状态

JDK6开始，JVM默认打开了偏向锁，因此默认情况下，一个对象被创建时，对象头中是偏向锁的信息。

• 打开偏向锁（默认）
  
• 关闭偏向锁
  

有一个线程使用synchronized锁定了这个对象

此时JVM默认永远只有这个线程使用这个对象，为了减少性能消耗，会进入偏向锁状态，实际上并不会上锁。

另一个线程尝试通过synchronized获取对象的锁

当出现了锁争夺时，会升级为轻量级锁，此时两个线程会尝试修改标记字自己的线程地址，修改成功的线程获取到锁，修改失败的线程进入到自旋状态，通过CAS操作来重试修改标记字。

第二个线程自旋到了一定次数，或者出现了更多线程来争夺锁

此时JVM会把对象的锁升级为重量级锁，标记字会指向对象的对象监视器（Monitor），所有争夺失败的线程进入阻塞状态。

重量级锁的内部实现

什么是对象监视器

每个对象都有一个对应的对象监视器，用来控制对象的多线程访问。

对象监视器的内部结构

• Owner
  指向正持有对象锁的线程
• EntryList（锁池）
  存放竞争失败的线程
• WaitSet（等待池）
  存放当前处于等待状态的线程

对象监视器的流程

初始

多个线程竞争对象的锁，争夺成功的线程引用放入到Owner中，其他线程放入到锁池中

线程正常执行

执行完成后，调用monitorExit，释放锁。
此时从锁池中按照先进先出原则，取出下一个线程，和新进的线程（如果有的话）来争夺锁。

调用了Object.wait()方法

调用wait()方法，线程进入挂起状态，线程的引用会被放入到waitSet中，从锁池中按照先进先出原则，取出下一个线程，和新进的线程（如果有的话）来争夺锁。

调用了Object.notify()方法

调用notify()方法后，从waitSet中拿到一个线程（具体拿哪个取决于JVM的配置），立即去争夺对象的锁，如果失败则进入到锁池。

调用了Object.notifyAll()方法

调用notify()方法后，从waitSet中拿出所有线程，立即去争夺对象的锁，如果失败则进入到锁池。
除非明确知道只有一个线程出于wait状态，否则就是用notifyAll方法，防止线程等待太久或永远等下去。