一文总结Java并发中的锁

一、锁的类型

1. 自旋锁

自旋锁是计算机科学用于多线程同步的一种锁，线程反复检查锁变量是否可用。由于线程在这一过程中保持执行，因此是一种忙等待。一旦获取了自旋锁，线程会一直保持该锁，直至显式释放自旋锁。 自旋锁避免了进程上下文的调度开销，因此对于线程只会阻塞很短时间的场合是有效的。因此操作系统的实现在很多地方往往用自旋锁。

线程的阻塞和唤醒需要CPU从用户态转为核心态，频繁的阻塞和唤醒对CPU来说是一件负担很重的工作。同时我们可以发现，很多对象锁的锁定状态只会持续很短的一段时间，例如整数的自加操作，在很短的时间内阻塞并唤醒线程显然不值得，为此引入了自旋锁。自旋锁的思想是让一个线程在请求一个共享数据的锁时执行忙循环（自旋）一段时间，如果在这段时间内能获得锁，就可以避免进入阻塞状态。

自旋锁有以下特点：

• 用于临界区互斥

• 在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁

• 要求持有锁的线程所占用的时间尽可能短

• 等待锁的线程进入忙循环状态

2. 偏向锁

偏向锁是在JDK 1.6之后加入的，其目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语，进一步提高程序的运行性能。其思想是偏向于让第一个获得锁的线程，这个线程在之后获取该锁就不再需要进行同步操作，甚至连 CAS 操作也不再需要。

当锁对象第一次被线程获得的时候，进入偏向状态，标记为 01。同时使用 CAS 操作将线程 ID 记录到 Mark Word 中，如果 CAS 操作成功，这个线程以后每次进入这个锁相关的同步块就不需要再进行任何同步操作。

当有另外一个线程去尝试获取这个锁对象时，偏向模式就宣告结束，此时撤销偏向（Revoke Bias）后恢复到未锁定状态或者轻量级锁状态。偏向锁、轻量级锁的状态转化如下所示：

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3. 轻量级锁

轻量级锁是JDK 1.6之后加入的新型锁机制，是相对于传统的重量级锁而言，它使用 CAS 操作来避免重量级锁使用互斥量的开销。对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的，因此也就不需要都使用互斥量进行同步，可以先采用 CAS 操作进行同步，如果 CAS 失败了再改用互斥量进行同步。

Mark Word（HotSpot虚拟机的对象头的第一部分）是实现轻量级锁和偏向锁的关键。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。32位的Mark Word结构如下图示：

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当尝试获取一个锁对象时，如果锁对象标记为 0 01，说明锁对象的锁为无锁（unlocked）状态。此时虚拟机在当前线程的虚拟机栈中创建 Lock Record，然后使用 CAS 操作将对象的 Mark Word 更新为 Lock Record 指针。如果 CAS 操作成功了，那么线程就获取了该对象上的锁，并且对象的 Mark Word 的锁标记变为 00，表示该对象处于轻量级锁状态。

如果 CAS 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虚拟机栈，如果是的话说明当前线程已经拥有了这个锁对象，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。

轻量级锁能够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”，如果没有竞争，使用CAS操作能够避免使用互斥操作的开销。但如果存在锁竞争，除了互斥量的开销以外，还有额外的CAS操作，因此在竞争的情况下，轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。

二、锁的策略

1. 乐观锁

总是假设最好的情况，每次去读数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁， 但是在更新的时候会判断一下在此期间有没有其他线程更新该数据， 可以使用版本号机制和CAS算法实现。 乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库提供的类似于write_condition机制，其实都是提供的乐观锁。 在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是基于CAS实现的乐观锁。

2. 悲观锁

总是假设最坏的情况，每次去读数据的时候都认为别人会修改，所以每次在读数据的时候都会上锁， 这样别人想读取数据就会阻塞直到它获取锁 （共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程）。 传统的关系型数据库里边就用到了很多悲观锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。Java中的悲观锁就是Synchronized,AQS框架下的锁则是先尝试CAS乐观锁去获取锁，获取不到，才会转换为悲观锁，如ReentrantLock

乐观锁好比生活中乐观的人总是想着事情往好的方向发展，悲观锁好比生活中悲观的人总是想着事情往坏的方向发展。 这两种人各有优缺点，不能不以场景而定说一种人好于另外一种人。

三、加锁过程的描述

1. 当代码进入同步块的时候，假设此对象没有被锁定（即无锁状态，锁的标志位为01）。虚拟机首先会将在当前线程的栈帧里面新建一个“锁记录”（Lock Record）的空间，用于存储锁对象当前Mark Word的一份拷贝（Displaced Mark Word）；

2. 将对象头的Mark Word拷贝到“锁记录”上；

3. 虚拟机将使用CAS操作尝试将锁对象的Mark Word更新指向“锁记录”（Lock Record）。

4. 如果更新成功，此时该线程就拥有了该对象的锁，并且对象头Mark Word的锁标志位改为00（轻量级锁）；

5. 如果上一步中的CAS操作更新失败，虚拟机首先检查对象头的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是，则说明当前线程已经拥有了当前对象的锁，那就可以直接进入同步快继续执行；

6. 否则，说明当前锁已被其他线程占用，这时出现了两个以上的线程争用同一把锁，那轻量级锁就失效，膨胀成为重量级锁（锁标志为10）。Mark Word中存储的就是指向重量级锁的指针，后面等待锁的其他线程也要进入阻塞状态，而当前线程则使用自旋来获取锁。

四、解锁过程的描述

1. 通过CAS尝试把线程中复制的Displaced Mark Word对象替换当前对象的Mark Word；

2. 如果替换成功，整个同步过程就完成了；

3. 如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁（锁已膨胀），那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

五、锁的内存语义

当线程释放锁的时候，Java内存模型会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中；

而当线程获取锁的时候，Java内存模型会把该线程对应的本地内存置为无效，从而使得被监视器保护的临界区代码必须从主内存中读取共享变量。

线程之间相当于通过主内存进行通信，如下图所示：

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六、锁的汇总

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参考资料

• 《深入理解Java虚拟机》