Java中锁的深入理解

目录

对象头的理解

Monitor（锁）

锁类型

偏向锁

偏向锁的优化机制

轻量级锁

重量级锁

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对象头的理解

在32位Java虚拟机中普通对象的对象头是占用8个字节，其中4个字节为Mark Word。用来存储对象的哈希值，对象创建后在JVM中的生命（经历GC回收后存活次数）等信息。另外四个字节为Klass Word用来存储对象类型，是String还是Student又或是Teacher。

Mark Word的存储结构为

Monitor（锁）

Monitor锁结构如下

这三个区域分别代表

1. WaitSet：线程通过wait()方法进入的阻塞状态，从Owner进入WaitSet集合，通过notify()方法唤醒后进入EntryList。
2. EntryList：阻塞线程集合，需要通过非公平竞争去获取锁
3. Owner：存储当前获取锁的线程。

当一个对象被加入重量级锁时，Mark Word会存储Monitor的地址。

锁类型

均针对于synchronized来进行辨析

偏向锁

偏向锁CPU损耗是最小的一种，在这种锁状态下，系统会认为这个锁通常只会由一个线程独占。默认情况下是开启的，对于本就是需要多线程争抢的对象来说，可以选择禁用偏向锁。

轻量级锁每次都会进行CAS操作，这也会消耗CPU资源，因此，偏向锁采用的是对象中的Mark Word存储的是线程ID。每次加锁时，先判断对象中的Mark Word是否是本线程ID（轻量级锁和偏向锁的锁对象Mark Word存储的信息不同，轻量级锁存储的是对象的hash值，偏向锁存储的是ThreadID）。

当对象被加入偏向锁后，记录的ThreadID并不会因为解锁而消失，而是继续存储在对象的Mark Word中。如果其他线程获取该对象加锁，会撤销ThreadID，变成轻量级锁

当一个可偏向对象调用hashCode方法后，会关闭偏向锁，用来对象的Mark Word用来存储该对象的hash值。

偏向锁的优化机制

批量重偏向：当可偏向对象因为被多个线程访问导致的撤销偏向锁次数过多时（默认值为20），后续的可偏向对象就不会再次进行撤销偏向锁了，因为撤销偏向锁也是需要CPU资源的。而是进行重偏向，JVM会认为初始偏向时，偏向错了，将后续的可偏向对象中的Mark Word修改为现在正在执行的ThreadID，已经被撤销偏向锁的对象则无法恢复。

批量撤销：当偏向锁被撤销次数过多时（默认为40次），JVM会认为，就不应该开启偏向锁，此后创建的每一个对象都是不可偏向的。

轻量级锁

在这种锁状态下，通常应用是一个对象虽然会被多个线程访问，但是多个线程的访问是错开时间的，并不存在竞争关系。

static final Object obj = new Object(); 
public static void method1(){
	synchronized(obj){
        method2();
    }
}

public static void method2(){
	synchronized(obj){
    }
}

首先这是一个线程执行，那么在执行method1时，栈帧中会创建一个Lock Record(锁记录)。里面存储对象的引用地址以及存储锁对象的Mark Word。

如下图所示

接着进行下一步，Object reference指向锁对象，并尝试通过cas交换锁对象的Mark Word。

如下图所示

如果cas成功，那么对象的对象头Mark Word存储的是锁记录的地址以及其状态，表示对该对象进行加锁

如果cas失败，则要分情况看待：

• 一种是，该对象已经被其他线程上锁，这时说明该对象存在竞争情况，进入锁膨胀状态
• 一种是，该对象已经被该线程上锁，这属于锁重入，再加入一条Lock Record作为重入计数。

对于第二种情况进行分析。在进行method1时，又进行了method2，此时，会cas失败。但是并不影响。

进行解锁时，取出的锁记录为null时，说明存在重入，此时重入计数-1。

如果取出的锁记录不为null，说明该线程已经不对该对象上锁了，进行真正的解锁操作，通过cas将对象的原有Mark Word恢复给该对象。如果成功的话说明解锁成功，如果cas失败说明进行了锁膨胀升级到了重量级锁，此时去执行重量级锁解锁流程。

重量级锁

最耗费CPU资源的加锁方式。

当线程0已经为对象加上了轻量级锁后，线程1再次对该对象加入轻量级锁，此时CAS失败，那么线程1会为该对象申请Monitor锁。然后自己进入Monitor锁中的EntryList

申请Monitor锁后，会将其地址存储在该对象的Mark Word中。

当线程0进行解锁操作时，会发现CAS解锁失败，此时会进入重量级解锁流程，即通过Monitor地址，找到Monitor锁后，将Owner设置为null，唤醒EntryList中的阻塞线程。

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自旋优化：当线程加锁时发现锁被占用会进入阻塞状态，但是这样会大量进行线程上下文切换，比较占用CPU，因此可以使用自旋优化，所谓自旋优化，是线程循环获取锁，失败后还是要去获取锁，如果在规定次数内还没有获取到锁，那么进入阻塞状态，因为这是一个循环过程，也是要占用CPU资源的。注意：单核CPU没有自旋的必要。