偏向锁、轻量级锁、重量级锁

参考资料：
《java并发编程的艺术》作者：方鹏飞 魏鹏 程晓明
https://blog.csdn.net/noble510520/article/details/78834224
https://www.jianshu.com/p/d515838f7df5

在多线程并发编程中synchronized一直是元老级角色，很多人都会称呼它为重量级锁。但是，随着Java SE 1.6对synchronized进行了各种优化之后，有些情况下它就并不那么重了。

锁的升级与对比

Java SE 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，在Java SE 1.6中，锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率，下文会详细分析。

介绍MarkWord
因为偏向锁，锁住对象时，会写入对象头相应的标识，我们先把对象头(官方叫法为:Mark Word)的图示如下:

Mark Word的状态变化

1.偏向锁

HotSpot 的作者经过研究发现，大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁）：如果没有设置，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

偏向锁的实现

①偏向锁获取过程：

1. 访问Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1，锁标志位是否为01，确认为可偏向状态。

2. 如果为可偏向状态，则测试线程ID是否指向当前线程，如果是，进入步骤5，否则进入步骤3。

3. 如果线程ID并未指向当前线程，则通过CAS操作竞争锁。如果竞争成功，则将Mark Word中线程ID设置为当前线程ID，然后执行5；如果竞争失败，执行4。

4. 如果CAS获取偏向锁失败，则表示有竞争。当到达全局安全点（safepoint）（在这个时间点上没有字节码正在执行）时获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码。（撤销偏向锁的时候会导致stop the word）

5. 执行同步代码。

如下图所示（图来自Java并发编程的艺术）

②偏向锁的释放：
偏向锁的撤销在上述第四步骤中有提到。偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动去释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态，撤销偏向锁后恢复到未锁定（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。

2.轻量级锁

轻量级锁是由偏向所升级来的，偏向锁运行在一个线程进入同步块的情况下，当第二个线程加入锁争用的时候，偏向锁就会升级为轻量级锁；

轻量级锁的加锁过程：

1.在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为“01”状态，是否为偏向锁为“0”），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，官方称之为 Displaced Mark Word。这时候线程堆栈与对象头的状态如图：

2.拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中；

3.拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，并将Lock record里的owner指针指向object mark word。如果更新成功，则执行步骤4，否则执行步骤5。

4.如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态，这时候线程堆栈与对象头的状态如图所示。

5.如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行。否则说明多个线程竞争锁，轻量级锁就要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。 而当前线程便尝试使用自旋来获取锁，自旋就是为了不让线程阻塞，而采用循环去获取锁的过程。

轻量级锁解锁：
轻量级解锁时，会使用原子的 CAS 操作来将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。

为了更好的理解，我们举个例子：
当获取到锁的线程执行同步体之内的代码的时候，另一个线程也完成了上面创建锁记录空间，将对象头中的MarkWord复制到自己的锁记录中，尝试用CAS将对象头中的MarkWord修改为指向自己的锁记录的指针，但是由于之前获取到锁的线程已经将MarkWord中的记录修改过了（并且现在还在执行同步体中的代码），与这个现在试图将MarkWord替换为自己的锁记录的线程自己的锁记录中的MarkWord的值不符,CAS操作失败，因此这个线程就会不停地循环使用CAS操作试图将MarkWord替换为自己的记录。这个循环是有次数限制的，如果在循环结束之前CAS操作成功，那么该线程就可以成功获取到锁，如果循环结束之后依然获取不到锁，则锁获取失败，MarkWord中的记录会被修改为指向重量级锁的指针，然后这个获取锁失败的线程就会被挂起，阻塞了。

当持有锁的那个线程执行完同步体之后想用CAS操作将MarkWord中的记录改回它自己的栈中最开始复制的记录的时候会发现MarkWord已被修改为指向重量级锁的指针，因此CAS操作失败，该线程会释放锁并唤起阻塞等待的线程，开始新一轮夺锁之争，而此时，轻量级锁已经膨胀为重量级锁，所有竞争失败的线程都会阻塞，而不是自旋。

轻量级锁一旦膨胀为重量级锁，则不可逆转。因为轻量级锁状态下，自旋是会消耗cpu的，但是锁一旦膨胀，说明竞争激烈，大量线程都做无谓的自旋对cpu是一个极大的浪费。