轻量级锁、重量级锁都是啥玩意

大纲

前言

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在JDK1.6以后，为了减少消耗，锁进行了很多的升级。并且有了四种状态，从低到高

• 无锁状态
• 偏向锁状态
• 轻量级锁状态
• 重量级锁状态

下面就介绍一下这四种不同等级的锁

不同等级间的锁可以进行升级，但是不能进行降级

对象内存布局

在讲锁之前我们应该了解对象的内存布局，因为后面锁的判定时需要用到，

该内容可以看我的这篇文章，对象的内存布局，重点看对象头中的运行时数据(Mark Word)

看了这个你应该知道，Mark Word(以后简称MW) 会随着 标志位的变化而变化

MW变化

先把他放出来，免得等会儿你自己翻

无锁状态

可以看到，这种情况下，MW被分为了四个部分，他锁的标志位为 01，是否是偏向锁标志位为 0.

偏向锁(biasedLock)

先看MW变化(在对象头变化的那一张图片中)

可以看到，他的锁标志位和无锁的标志位是一样的 都是 01，但是是否是偏向锁的标志位就变了 变成了 1.并且整个MW部分变成了5部分

目的

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人了偏向锁

偏向锁，就如同他的名字一样，“偏向”，“偏心”，英文"biased"也是偏爱的意思。

他为啥是叫这个呢，因为这个锁偏向于第一个获取到他的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步

步骤

上面一共被分为三大部分，

• 无锁状态
• 偏向锁状态
• 撤销偏向锁

上面的图中，线程一演示了偏向锁的初始化流程，线程2演示了偏向锁撤销的过程

初始化过程

• 当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机会将对象头中的锁标志位置为 “01”(偏向模式)
• 同时，使用CAS(如果不了解CAS，可以看这篇文章，悲观锁和乐观锁)操作，把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的MW中，

• 如果 CAS成功，持有偏向锁的线程每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机可以不进行任何同步操作

撤销过程

• 首先暂停拥有偏向锁的线程
• 然后检查持有偏向锁的线程是否活着
  • 不活跃，将对象头设置成无锁状态 (标志位"01"，但不可偏向)
  • 活，
    • CAS成功，重新偏向，更改线程ID
    • 失败，恢复成无锁状态，或者变成轻量级锁定状态。

轻量级锁

标志位为"00"，可以看最开始的图

为啥叫轻量级锁，因为这是相比于传统的重量级锁而言，原来传统的重量级锁，使用的是系统互斥量实现的

他的出现并不是代替重量级锁，而是在没有多线程竞争的前提下，减少系统互斥量操作产生的性能消耗

步骤

先看图

加锁

• 线程在执行同步块之前，JVM会现在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录（下图的LockRecord）的空间，并将对象头中的MW复制到锁记录中，官方称为 Displaced Mark Word
• 然后，虚拟机将使用CAS操作，将对象的MW更新为指向锁记录的指针
  • 如果这个操作成功，那么该线程就有了该对象的锁，并且对象的MW的锁标志位置为 “00”，表示该对象处于轻量级锁定状态
  • 如果更新失败，表示其他线程竞争锁，当前线程尝试使用自旋来获取锁

解锁

• 使用CAS操作将 Displaced Mark Word 替换回到对象头
  • 如果成功，则说明没有发生竞争
  • 失败，则表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁
    • 释放锁，并且唤醒等待的线程

缺点

轻量级能提升程序同步性能的依据是"对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的"，这是一个经验数据。

• 如果没有竞争，轻量级锁使用CAS操作，避免使用互斥量
• 如果存在竞争，除了互斥量的开销，还有 CAS的操作，不仅没有提升，反而性能会下降

各个锁之间的转换

对比

锁	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁都不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距	如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗	只有一个线程访问同步块
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度	如果始终得不到锁竞争的线程，使用自旋会消耗CPU	追求响应时间 同步块执行速度非常块
重量级锁	线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU	线程阻塞，响应时间慢	追求吞吐量 同步块执行时间较长