偏向锁轻量级锁重量级锁区别_极窄门锁

1、详解对象头结构

对象是存放在堆内存中的，对象大致可以分为三个部分：对象头、实例变量和对齐填充

一个普通Java对象的对象头结构：

以32为虚拟机为例

Mark Word用于存储对象自身的运行时数据
klass word指向对象的类型

64位虚拟机的mark word占8个字节，它的具体内容：

普通对象：状态位01，偏向标识为0，主要存放对象的hashcode、分代年龄
偏向锁：状态位01，偏向标识为1，存放偏向的线程id、分代年龄
轻量级锁：状态位00，存放对应的lock record锁记录对象在栈上的地址
重量级锁：状态位10，存放对应的monitor的地址
等待被垃圾回收，状态位11

可以看出，对象在作为锁使用时，与该对象的含义、继承关系等都无关，因为锁的底层只在该对象上体现。

注意：一个对象作为synchronized的锁对象，它就不会被垃圾回收，后续作为GC Roots。所以它不需要存储分代年龄。

2、重量级锁的实现原理

1、monitor

monitor，翻译为“监视器”或“管程”。

Monitor对象是操作系统提供的，每个Java对象都可以关联一个Monitor对象，它是用来给对象上锁的，主要分为以下三个部分。

WaitSet：存储之前获取过这把锁，但进入Waiting状态的线程。
EntryList：阻塞队列，存放等待获取锁的线程
Owner：当前持有锁的线程

另外还有count属性用来表示锁重入。

2、给一个对象上锁的原理

使用synchorzed给对象上重量级锁后：

该对象头的Mark Word中，存放指向关联的Monitor对象的指针。该对象原有的mark word信息保存在monitor中。
本来对象是normal的。
- 使用synchorzed上锁后，对象状态变为Heavyweight Locked，mark word改为存储Monitor对象的地址。
- mark word后两位从01（普通对象）变为10（重量级锁）。
monitor的owner存储了当前持有锁的线程。

3、重量级锁的锁重入

在monitor中，有一个count属性，用于记录锁重入的次数。

使用synchorzed给对象上锁，对象头的mark word部分存储了一个Monitor对象的地址，此时Monitor的Owner为空，count为0
一个线程尝试获取锁
- 先判断count属性是否为0，如果为0，说明锁可用。
- 把Owner设置为本线程，线程进入Running 状态。
- count属性+1
如果count属性不为0
- 检查锁对象的对象头，发现它是Heavyweight Locked状态，关联了一个Monitor
- 查看Monitor的Owner属性，如果owner属性指向本线程，说明是锁重入，count+1
- 如果owner属性指向其他线程，当前线程被阻塞，进入阻塞队列 EntryList，变为 Blocking 状态。
等到持有锁的线程执行完毕，就会唤醒 EntryList 中阻塞的线程来竞争锁。
如果持有锁的线程在运行中调用了wait()方法，就释放锁，进入monitor的等待队列。

syn 修饰的内容如何获取monitor对象

syn 修饰代码块

JVM在需要同步的代码块开始的位置插入monitorentry指令，在同步结束的位置或者异常出现的位置插入monitorexit指令。

JVM确保它们是成对出现的，但是根据程序执行的不同分支，比如正常结束或出现异常，一个monitorentry下面可能有多个monitorexit。但只会执行到一个。

这两条指令依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现。

使用Mutex Lock需要将当前线程挂起，并从用户态切换到内核态来执行，这种切换的代价非常高。

执行monitorentry，含义是尝试获取monitor的所有权。

syn 修饰方法

方法同步不再是通过插入monitorentry和monitorexit指令实现。

是由方法调用指令来读取运行时常量池中的ACC_SYNCHRONIZED标志隐式实现的。

如果方法表（method_info Structure）中的ACC_SYNCHRONIZED标志被设置，说明这个方法是一个同步方法。

那么线程在执行方法前会先去获取对象的monitor对象。

如果获取成功则执行方法代码，执行完毕后释放monitor对象，如果monitor对象已经被其它线程获取，那么当前线程被阻塞。

6、重量级锁的缺陷

Java中的线程需要映射到操作系统的原生线程之上。

在早期的Java版本中，synchrozed的底层只能使用monitor，这是依赖于操作系统的Mutex Lock（互斥锁）实现的。

每次对线程的唤醒和阻塞，都必须经由操作系统转入内核态来完成，这是一个重量级操作，效率比较低。

3、synchrozed 的优化

montior 是由操作系统提供的，成本较高。如果每次进入 synchrozed时都需要进入 montior 中获取锁，性能较低。

JDK1.6开始，对synchronized做了优化，引入了偏向锁、轻量级锁。

它们的引入是为了解决，在没有多线程竞争或基本没有竞争的场景下，因使用传统锁机制带来的繁重性能开销问题。

1、偏向锁概述

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，会有很多额外性能损失、为了降低获取锁的代价，引入了偏向锁。

比如一段同步代码块，假如每次都是同一个线程去执行它，其实是线程安全的，没有必要去竞争锁。

偏向锁的优化思想是：

如果使用轻量级锁，每次执行同步代码之前都需要使用CAS操作，效率较低
偏向锁的思想，每次执行同步代码之前只需要检查偏向线程ID即可，需要的CAS操作较少，所以比起轻量级锁效率更高
但是偏向锁在存在多线程执行的情况虾，需要发生偏向锁撤销，这个操作的开销必须小于节省CAS带来的开销，否则这个优化就没有意义

偏向锁的获取流程

从当前线程的栈中找到一个空闲的Lock Record，指向当前的锁对象
判断锁对象的mark word的低三位是否为101偏向状态，如果是：
- 判断偏向的线程ID和当前线程ID是否相同
  - 如果相同，就直接执行同步代码块
  - 如果是匿名偏向，即偏向状态但是偏向线程ID为空，就使用CAS将当前线程ID置为偏向线程ID
    - 如果修改成功，就成功获取偏向锁
    - 如果修改失败，就升级为轻量级锁
  - 如果不相同，就查看锁对象头中存储的线程id对应的线程是否存活。
    - 检查偏向线程的状态，如果线程已经死亡，就查看是否允许重偏向
      - 如果允许重偏向，就把锁对象设置为匿名偏向状态，之后进行重偏向
      - 如果不允许重偏向，就把锁对象设置为无锁状态，下次只能直接升级成轻量级锁
    - 如果偏向线程依然存活，就需要在下一个全局安全点STW，查看该线程的栈帧信息
      - 如果该线程不再使用该锁对象，就查看是否允许重偏向
        
        如果允许重偏向，就把锁对象设置为匿名偏向状态，之后进行重偏向
        
        如果不允许重偏向，就把锁对象设置为无锁状态，下次只能直接升级成轻量级锁
      - 如果该线程还需要持有偏向锁，就撤销偏向锁，设置为轻量级锁
      - 具体该线程是否使用偏向锁，可以遍历它的栈帧中的Lock Record对象来判断。
如果不是，就进入轻量级锁的逻辑，构造一个无锁状态的对象头mark word，然后存入Lock Record中

偏向锁解锁后，不会被主动释放：一个线程退出同步代码块后，不会撤销锁对象中自己的线程id。

2、轻量级锁概述

情形：对于一个对象，在多线程场景下，多个线程并不会同时访问它，而是错开访问。

产生了两个问题：

通常情况下不存在竞争，此时其实不用加锁。每次线程都要先访问montior，才能执行它，效率就很低。
但是，每个线程在执行它之前应该先检查，它是否正在被其他线程运行，否则会出现问题

思想：

使用某种标记，能快速判断是否有其他线程持有该锁对象，表明当前是否存在竞争关系。如果不存在竞争，说明只有一个线程访问，就不用经过锁
如果发现存在竞争，再去使用锁（轻量级锁升级为重量级锁）

轻量级锁的获取流程

轻量级锁对于编码人员是透明的（不可见），语法仍然是synchrozed ，底层会自动优化。

Lock Record

锁记录对象，放在线程的栈帧中。

它包含两部分信息：

存放锁对象头的mark word
存放锁对象的地址信息

一个线程试图获取轻量级锁的流程

如果锁对象为 001 无锁状态，就在线程的栈帧中创建一个 Lock Record 锁记录对象。
将锁对象的mark word拷贝到本线程的Lock Record中，称之为 Displaced Mark Word
尝试获取锁
- 使用CAS操作，试图将锁对象头中mark word的内容，替换成该线程的Lock Record的地址。
如果CAS执行成功，当前线程成功获取锁
- 对象头的Mark Word中存储了锁记录地址和状态 00 （00表示轻量级锁），表示由该线程给对象加锁
- 对象头中原先的信息，由锁记录临时保存。等到释放锁的时候，再把数据恢复回去。
如果 cas 替换失败，那么判断对象头Mark Word的“lock record 锁记录地址”，存在两种情况：
- 锁记录地址指向其他线程，说明是其它线程已经持有了该锁对象的轻量级锁，当前线程先自旋。如果达到了自旋次数，或者又有新的线程来竞争锁，就将轻量级锁膨胀为重量级锁，锁对象头部指向一个monitor。
- 锁记录地址指向此线程，说明是此线程自身执行了 synchronized 锁重入，会再添加一条 Lock Record 锁记录，作为重入的计数。
  
  这样设计是很有必要的，因为多次持有锁时如果不额外做记录，在释放锁时就会出现问题。只有等到该线程的锁全部被释放，才说明当前线程的操作已经结束，该对象才能被允许再次上锁。
当退出 synchronized 代码块释放锁时，如果有值为 null 的锁记录，表示有重入，这时会删除该条锁记录，表示重入计数减一

当退出 synchronized 代码块释放锁时，如果锁记录的值不为null，则使用cas，将对象头Mark Word的值恢复
- 如果操作成功，则成功释放了该对象的锁
- 如果操作失败，说明该轻量级锁进行了锁膨胀，或者已经升级为了重量级锁，就进入重量级锁的解锁流程。

4、总结 syn的锁升级过程

一个线程要获取一个锁对象的锁：

检查是否是对象mark word后三位状态位是否是001无锁状态，其中第一位表示是否偏向，后两位表示对象的类型
- 如果是，就设置为101偏向锁，通过CAS将自己的线程id放入对象头的mark word，此时锁对象偏向当前线程
如果对象状态是101，检查mark word的线程id是否和当前线程id相同。
- 如果相同，不用获取锁，直接执行被锁住的代码
- 如果不相同，主动检查持有偏向锁的线程状态。如果它已死亡，或者不需要偏向锁了，就将锁对象置为001无锁状态。否则，如果该线程还在使用偏向锁，当前线程就将偏向锁升级为轻量级锁，锁对象状态为00
如果对象状态是00，使用CAS，将锁对象头中mark word的内容，替换成当前线程的Lock Record的地址
- 如果操作成功，当前线程成功持有轻量级锁
- 如果操作失败，就尝试自旋。如果自旋到一定次数依然操作失败，或者有别的线程尝试获取轻量级锁，就将轻量级锁升级为重量级锁。申请一个monitor，将对象状态置为10，mark word指向monitor对象，当前线程进入monitor的阻塞队列等待。

锁只能升级不能降级，但是偏向锁状态可以被重置为无锁状态，后续升级成轻量级锁。

原因是，既然锁升级了，那么说明会有高并发的场景出现，那么肯定不能擅自降级，因为不能预测是否还有高并发的时刻。

今天的文章偏向锁轻量级锁重量级锁区别_极窄门锁分享到此就结束了，感谢您的阅读。

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