Java中的锁升级

Java中锁升级的过程

首先先看一下《Java并发编程的艺术》中的一段话,也是对整个锁升级过程的一个总结和描述。

Java SE 1.6为了减少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Java SE 1.6中,锁一共有4种状态,级别从低到高依次是:无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态,这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级,意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。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。
——引用自《Java并发编程的艺术》

对象头

java对象头是实现synchronized的锁对象的基础,synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里的。
如果对象是数组类型,则虚拟机用3个字宽(Word)存储对象头,如果对象是非数组类型,则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中,1字宽等于4字节,即32bit,如下表所示:

长度 内容 说明
32/64bit MarkWord 存储对象的hashCode或锁信息等
32/64bit Class Metadata Address 类型指针指向对象的类元数据,JVM通过这个指针确定该对象是哪个类的实例
32/64bit Array length 数组的长度(如果当前对象是数组)

Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位。
32位JVM的Mark Word的默认存储结构如下表所示:

锁状态 25bit 4bit 1bit是否是偏向锁 2bit锁标志位
无所状态 对象的hashCode 对象的分代年龄 0 01

在运行期间,Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word可能变化为存储以下4种数据,如图所示:
Java中的锁升级_第1张图片

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,为了让线程获得锁的代价更低而引入偏向锁。
当一个线程访问同步代码块并获取锁时,会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID,
以后该线程再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 Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。
如果测试成功,表示线程已经获得了锁。
如果测试失败,则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置为1(表示指向当前进程):
如果没有,则使用CAS竞争锁;如果设置了,则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前进程。
——《Java并发编程的艺术》

JVM使用CAS操作把线程ID记录到了这个Mark Word当中,修改了标识位,当前线程就拥有这把锁了
偏向锁状态下的对象头
可以看出:JVM不用和操作系统协商设置Mutex,它只记录下线程ID,就表示当前线程拥有这把锁了,不用操作系统介入。

这时线程获得了锁,可以执行synchronized修饰的代码块。
当线程再次执行到这个synchronized的时候,JVM通过锁对象的Mark Word判断:“当前线程ID还在,还持有着这个对象的锁,就可以继续进入临界区执行

这就是偏向锁,在没有别的线程竞争的时候,一直偏向当前线程,当前线程可以一直执行

轻量级锁(自旋锁)

轻量级锁是由偏向所升级来的,偏向锁运行在一个线程进入同步块的情况下,当第二个线程加入锁争用的时候,偏向锁就会升级为轻量级锁
轻量级锁的加锁过程:

  1. 在代码进入同步块的时候,如果同步对象锁状态为无锁状态(锁标志位为“01”状态,是否为偏向锁为“0”),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,用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝,官方称之为 Displaced Mark Word。

  2. 拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中;

  3. 拷贝成功后,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,并将Lock record里的owner指针指向object mark word。如果更新成功,则执行步骤4,否则执行步骤5。

  4. 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的锁标志位设置为“00”,即表示此对象处于轻量级锁定状态。

  5. 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,如果是就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。否则说明多个线程竞争锁,轻量级锁就要膨胀为重量级锁,锁标志的状态值变为“10”,Mark Word中存储的就是指向重量级锁(互斥量)的指针,后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。 而当前线程便尝试使用自旋来获取锁,自旋就是为了不让线程阻塞,而采用循环去获取锁的过程。
    Java中的锁升级_第2张图片

重量级锁

轻量级锁膨胀之后,就升级为重量级锁了。
重量级锁是依赖对象内部的monitor锁来实现的,而monitor又依赖操作系统的MutexLock(互斥锁)来实现的,所以重量级锁也被成为互斥锁。

synchronized就是一个典型的重量级锁 synchronized关键字

总结

锁状态的优缺点对比:
Java中的锁升级_第3张图片

参考

https://blog.csdn.net/sspudding/article/details/89563462

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