JavaSE 减少了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javaSe 1.6中,锁一共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,重量级锁状态,这个几个状态会随着竞争状态进行升级。锁可以升级但不能降级,意味者偏向锁升级成轻量级锁不能降级成偏向锁。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。
1.偏向锁
在多数情况下,锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一个线程多次获得,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所记录里存储偏向的线程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,只需要简单地测试一下对象头的Mark Work 里是否存在着指向当前线程的偏向锁。如果测试失败,则需要在测试一下Mark work 中偏向锁的标识中偏向锁的标识是否设置成1:如果没有设置,则使用CAS竞争锁;如果设置了,则尝试使用尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。
偏向锁获取过程:
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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。
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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。
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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。
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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)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)
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执行同步代码。
注意:第四步中到达安全点safepoint会导致stop the word,时间很短。
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。当有线程竞争的时候,如果获取锁的线程已经死亡,就将mark work恢复到无所状态,并重新偏向当前线程, 如果线程激活状态,当前锁升级为轻量级锁。
偏向锁的适用场景
始终只有一个线程在执行同步块,在它没有执行完释放锁之前,没有其它线程去执行同步块,在锁无竞争的情况下使用,一旦有了竞争就升级为轻量级锁,升级为轻量级锁的时候需要撤销偏向锁,撤销偏向锁的时候会导致stop the word操作;
在有锁的竞争时,偏向锁会多做很多额外操作,尤其是撤销偏向所的时候会导致进入安全点,安全点会导致stw,导致性能下降,这种情况下应当禁用;
轻量级锁解锁:
(1)轻量级加锁
线程在执行同步块之前,jvm会在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间,并将对象头中的mark word 复制到锁记录中,官方称为 Displaced Mark work.如果成功,当前线程获得锁,如果失败,表示其他线程竞争锁,当前线程便尝试使用自旋锁来获取锁。
轻量级锁的释放
释放锁线程视角:由轻量锁切换到重量锁,是发生在轻量锁释放锁的期间,之前在获取锁的时候它拷贝了锁对象头的markword,在释放锁的时候如果它发现在它持有锁的期间有其他线程来尝试获取锁了,并且该线程对markword做了修改,两者比对发现不一致,则切换到重量锁。
因为重量级锁被修改了,所有display mark word和原来的markword不一样了。
尝试获取锁线程视角:如果线程尝试获取锁的时候,轻量锁正被其他线程占有,那么它就会修改markword,修改重量级锁,表示该进入重量锁了。
还有一个注意点:等待轻量锁的线程不会阻塞,它会一直自旋等待锁,并如上所说修改markword。
这就是自旋锁,尝试获取锁的线程,在没有获得锁的时候,不被挂起,而转而去执行一个空循环,即自旋。在若干个自旋后,如果还没有获得锁,则才被挂起,获得锁,则执行代码。
锁的优缺点
锁 | 优点 | 缺点 | 试用场景 |
偏向锁 | 加锁和解锁不与需要额外消耗 | 如果线程竞争激烈,会带来额外的锁撤销的消耗 | 只试用一个线程访问同步块场景 |
轻量级锁 | 竞争的线程不会阻塞,提高来相应时间 | 自旋浪费cpu | 追求响应时间,同步快执行速度块 |
重量级锁 | 线程不实用自旋,不会消耗cpu | 线程阻塞,响应时间缓慢 | 追求通吐量,同步块执行速度慢 |