轻量级锁与偏向锁

轻量级锁与偏向锁

要了解轻量级锁与偏向锁的原理和运作过程，需要先了解Hotspot虚拟机的对象头部分的内存布局。

1. 对象头

• 对象自身的运行时数据
  如：哈希吗（HashCode）、GC分代年龄(Generational GC Age)等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32bit和64bit，简称“Mark Word”
• 如果对象是数组类型，则虚拟机用3个Word（字宽）存储对象头，如果对象是非数组类型，则用2Word存储对象头。
• 指向方法区对象类型数据的指针，如果是数组对象的话，还会有一个额外的部分用于存储数组长度。
• 对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本。它会根据对象的状态复用自己的存储空间。例如：在32位的HotSpot虚拟机中对象未被锁定的状态下，Mark Word的32bit空间中的25bit用于存储对象哈希吗（HashCode），4bit用于存储对象分代年龄，2bit用于存储锁标志位，1bit固定为0

其他状态下对象的存储内容

锁状态包括：轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向

32位JVM的Mark Word的默认存储结构如下：

64位JVM下， Mark Word是64bit大小的，存储结构如下：

---

2. 偏向锁

JDK1.6引入

• 优点：消除数据在无竞争情况下的同步原语，提高性能。
• 偏向锁与轻量级锁理念上的区别：
  
  • 轻量级锁：在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量
  • 偏向锁：在无竞争的情况下把整个同步都消除掉，连CAS操作都不做了
• 意义：锁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再进行同步。
• 相关参数：
  
  • 默认-XX:+UseBiasedLocking=true
  • -XX:-UseBiasedLocking=false关闭偏向锁
  • 应用程序启动几秒钟之后才激活
  • -XX：BiasedLockingStartupDelay = 0关闭延迟

2.1 加锁

• 当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机把对象头中的标志位设为“01”，即偏向模式。同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中的偏向线程ID，并将是否偏向锁的状态位置置为1。

  • 如果CAS操作成功，持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时，直接检查ThreadId是否和自身线程Id一致，
    
    • 如果一致，则认为当前线程已经获取了锁，虚拟机就可以不再进行任何同步操作（例如Locking、Unlocking及对Mark Word的Update等）。

• 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（Revoke Bias）后恢复到未锁定（标志位为“01”）或轻量级锁定（标志位为“00”）的状态，后续的同步操作就如上面介绍的轻量级那样执行。

偏向锁、轻量级锁的状态转化及对象Mark Word的关系如下图：

2.2偏向锁的获取和撤销流程

挂起拥有偏向锁的线程后,存在竞争则将Mark Word恢复为轻量级锁，并将该锁赋予当前堆栈中最近的一个lock record。

2.3 总结

偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能。如果程序中大多数的锁总是被多个不同的线程访问，那偏向模式就是多余的。在具体情形分析下，禁止偏向锁优反而可能提升性能。

3. 轻量级锁

3.1 加锁

• 在代码进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定（锁标志位为“01”状态），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，用于存储锁记录目前的Mark Word的拷贝（称为Displaced Mark Word）
  
  • 拷贝mark word的作用：为了不想在lock与unlock这种底层操作上再加同步。
  • 修改Object mark word轻量级锁指针作用：告诉其他线程，该object monitor已被占用
  • owner指向object mark word作用：在下面的运行过程中，识别哪个对象被锁住了。

这时候堆栈与对象头的状态如下

• 然后，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。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（Mark Word的最后2bit）将转变为“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下

• 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。如果指向，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，否则说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，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（互斥量）的指针。

3.2 解锁

与加锁一样通过CAS操作进行的，如果对象的Mark Word仍然指向着线程的锁记录，那就用CAS操作把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来，如果替换成功，整个同步过程就完成了。如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

3.3 lock，unlock与mark word之间的联系

JDK1.5以后，不存在OS原语同步了。

3.4 两个线程同时争夺锁，导致锁膨胀的流程图

3.5 总结

轻量级锁能提高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操作避免了使用互斥量的开销，但如果存在锁竞争，除了互斥量的开销外，还额外发生了CAS操作，因此在有竞争的情况下，轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。

---

参考

1. 深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践
2. http://blog.csdn.net/songylwq/article/details/5585734
3. http://ifeve.com/java-synchronized/
4. http://blog.163.com/silver9886@126/blog/static/35971862201472274958280/