线程、多线程之锁的简述

1. 概述

       今天说的是无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。要注意的是，这四种状态都不是Java语言中的锁，而是Jvm为了提高锁的获取与释放效率而做的优化(使用synchronized时)的锁。在Java1.5之前synchronized是一个重量级锁，Java 1.6对synchronized进行的各种优化后，synchronized并不会显得那么重了。      

       了解这个几个锁之前希望大家对自旋锁，和java对象有一定了解，我就简单介绍下。

1.1 自旋锁

       自旋锁是指线程A需要获取锁，但该锁已经被其他线程B占用时，该线程A不会被挂起，而是在不停的试图获取锁，不断的消耗CPU的时间，虽然CPU的时间被消耗了，但是比起线程的下文（了解上下文的请参考：https://blog.csdn.net/qq_39470733/article/details/77837403）切换消耗的时间要少。这个时候使用自旋锁还是划算的。 而偏向锁、轻量锁、重量锁也是一个锁围绕着如何使得程序运行的更加“划算”而进行改变的。

1.2 对象头
        HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。HotSpot虚拟机的对象头(Object Header)包括两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据， 如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（暂 不考虑开启压缩指针的场景）中分别为32个和64个Bits，官方称它为“Mark Word”。 
在32位的HotSpot虚拟机 中对象未被锁定的状态下，Mark Word的32个Bits空间中的25Bits用于存储对象哈希码（HashCode），4Bits用于存储对象分代年龄，2Bits用于存储锁标志 位，1Bit固定为0，在其他状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）下对象的存储内容如下表所示。

2. 锁

2.1 偏向锁

       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，偏向锁可以降低多次加锁解锁的开销。偏向锁会偏向于第一个获得它的线程，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同步。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。当有另外一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式就宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，撤销偏向后恢复到未锁定或轻量级锁定状态。
       引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS原子指令，而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令(了解CAS请参考：https://blog.csdn.net/qq_39470733/article/details/106811673)。 
       例如：当只有一个线程去竞争锁的时候，我们不需要阻塞，也不需要自旋，因为只有一个线程在竞争，我们只要去判断该偏向锁中的ThreadID是否为当前线程即可。如果是就执行同步代码，不是就尝试使用CAS修改ThreadID，修改成功执行同步代码，不成功就将偏向锁升级成轻量锁。

2.2 轻量锁
       获取轻量锁的过程与偏向锁不同，竞争锁的线程首先需要拷贝对象头中的Mark Word到帧栈的锁记录中。拷贝成功后使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向当前线程的指针。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。如果更新失败，那么意味着有多个线程在竞争。 
       当竞争线程尝试占用轻量级锁失败多次之后（使用自旋）轻量级锁就会膨胀为重量级锁，重量级线程指针指向竞争线程，竞争线程也会阻塞，等待轻量级线程释放锁后唤醒他。

2.3 重量锁
       重量级锁的加锁、解锁过程和轻量级锁差不多，区别是：竞争失败后，线程阻塞，释放锁后，唤醒阻塞的线程，不使用自旋锁，不会那么消耗CPU，所以重量级锁适合用在同步块执行时间长的情况下。

2.4 三种锁的区别及使用场景

• 偏向锁：仅有一个线程进入临界区
• 轻量级锁：多个线程交替进入临界区
• 重量级锁：多个线程同时进入临界区

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