偏向锁、轻量锁与重量锁，你真的了解吗？

偏向锁与轻量锁的历史由来

 在jdk1.6之前，锁是由c++提供的objectMonitor来维护。objectMonitor 帮我们封装了阻塞队列、同步队列，加锁，释放锁...的复杂流程，其底层调用操作系统的函数来实现线程同步，以及线程切换等操作。在一些并发不高，或者甚至没有并发的场景下，这些操作很浪费系统资源。所以，jvm对此进行了优化，偏向锁、轻量锁也随之诞生！

 偏向锁

jvm是默认开启偏向锁，但有5s的延迟。

-XX:+UseBiasedLocking：开启偏向锁，-XX:-UseBiasedLocking：关闭偏向锁，-XX:BiasedLockingStartupDelay=0：设置偏向锁延迟为0，即关闭延迟。

偏向锁是基于Object的Object Header中的MarkWord来实现的，64位操作系统中，Object Header 占用128bit，Markwork占64bit。

图一

图中前8个字节即为MarkWord。可看到有个101，其余都是0，这表示此对象为可偏向但未偏向状态，可认为是Markwork的初始化的某一种情况。为什么是某一种情况呢？因为偏向锁是有延迟的，若过了延迟的时间，对象才实例化，就是这种状态；若再延迟时间内实例化的对象，其状态是一种不可偏向的无锁状态，如下图：

图二

其中的001，即为不可偏向的无锁状态，此状态是不可偏向的，所以这里我们研究的是第一种情况，即101。

当线程进入同步块时，MarkWord中会记录线程ID，表示对象锁偏向了此线程ID的线程：

图三

图三与图一比，MarkWord中发生了改变，记录了偏向的线程ID，当此线程ID的线程再进入同步块时，只要比对线程ID相同，即可获得对象锁。这也是偏向锁相对于重量锁的优化，性能会提升很多。但若是别的线程ID来访问同步块，则会先撤销偏向锁为无锁，再膨胀为轻量锁！

特地说明一下，当调用了一个对象的hashcode方法，MarkWord将不再记录线程ID，而记录对象的hashcode值，这会导致偏向锁不可用！

轻量锁

 当一个线程来访问同步块时，发现对象头的MarkWord已偏向了一个不是自己的线程ID，则会先撤销偏向锁为无锁，再cas尝试将MarkWord的前62位（若调用过hashcode方法，其中包含对象的hashcode值），替换成本线程栈针的lock_record的地址，替换成功，则获取到锁，此过程，将锁膨胀为轻量锁！来看下轻量锁的MarkWord：

图五

 图中锁的状态变为00，即轻量锁。其他位表示的是持有改锁的lock_record的地址。释放锁之后，MarkWord将恢复为不可偏向的无锁状态，如下图：

图六

可发现，MarkWord中清除了之前记录的lock_record，并还原了之前的62位的信息（若调用过hashcode方法，对象的hashcode值也随之恢复）以等待其他线程来获取锁。 此时，对象锁为无锁状态！

但是，若一个线程来获取锁，对MarkWord前62位进行cas操作，若此时MarkWord中记录的是持有锁的lock_record的地址，那这个线程将获取锁失败，接下来进行自旋。若自旋次数超过了设定的阈值，还未cas成功，则会将锁膨胀为重量级锁。

重量锁

重量锁的MarkWord中，前62位保存着objectMonitor对象的地址，当升级为重量级锁时，由monitor来维护线程的阻塞、同步、加锁、释放锁等。如下图 ：

图八 

上图中，锁的状态变为10，即为重量锁。当一个线程去获取对象锁，发现其状态为10，则将此线程加入到object_monitor的同步队列中，等待锁释放之后去竞争锁。此时，锁的性能最低！

总结

我们发现，锁的膨胀过程，是伴随着并发度的提升的。随着不同的业务场景来使用合适的锁，以此来提升jvm的性能！

加餐：批量重偏向

由于一个class模板，会生成好多对象。因为偏向锁->撤销偏向锁->无锁->轻量锁，这个过程要耗费资源，当超过20个对象执行了这个过程，会进行批量重偏向。过程大致为：class对象的MarkWord的epoch将改为10，并同时这个类的其他还在同步块的对象的epoch改为10，而不在同步块的对象不改还为01，线程去获取锁时，对象的epoch值与class对象的epoch值进行比对，如不一样，则可进行重偏向，即将偏向锁的线程ID变换为另一个要获取锁的线程的ID。此处，笔者就不再演示。