锁之“轻量级锁”原理详解(Lightweight Locking)

大家知道，Java的多线程安全是基于Lock机制实现的，而Lock的性能往往不如人意。
原因是，monitorenter与monitorexit这两个控制多线程同步的bytecode原语，是JVM依赖操作系统互斥(mutex)来实现的。
互斥是一种会导致线程挂起，并在较短的时间内又需要重新调度回原线程的，较为消耗资源的操作。

为了优化Java的Lock机制，从Java6开始引入了轻量级锁的概念。

轻量级锁（Lightweight Locking）本意是为了减少多线程进入互斥的几率，并不是要替代互斥。
它利用了CPU原语Compare-And-Swap(CAS，汇编指令CMPXCHG)，尝试在进入互斥前，进行补救。

本文将详细介绍JVM如何利用CAS，实现轻量级锁。

原理详解

Java Object Model中定义，Object Header是一个2字（1 word = 4 byte）长度的存储区域。
第一个字长度的区域用来标记同步，GC以及hash code等，官方称之为 mark word。第二个字长度的区域是指向到对象的Class。

在2个word中，mark word是轻量级锁实现的关键。它的结构见下表

从表中可以看到，state为lightweight locked的那行即为轻量级锁标记。bitfieds名为指向lock record的指针，这里的lock record，其实是一块分配在线程堆栈上的空间区域。
用于CAS前，拷贝object上的mark word(为什么要拷贝，请看下文)。
第三项是重量级锁标记。后面的状态单词很有趣，inflated，译为膨胀，在这里意思其实是锁已升级到OS-level。
在本文的范围内，我们只关注第二和第三项即可。

为了能直观的理解lock，unlock与mark word之间的联系，我画了一张流程图：

在图中，提到了拷贝object mark word，由于脱离了原始mark word，官方将它冠以displaced前缀，即displaced mark word(置换标记字)。
这个displaced mark word是整个轻量级锁实现的关键，在CAS中的compare就需要用它作为条件。

为什么要拷贝mark word？
其实很简单，原因是为了不想在lock与unlock这种底层操作上再加同步。

在拷贝完object mark word之后，JVM做了一步交换指针的操作，即流程中第一个橙色矩形框内容所述。
将object mark word里的轻量级锁指针指向lock record所在的stack指针，作用是让其他线程知道，该object monitor已被占用。
lock record里的owner指针指向object mark word的作用是为了在接下里的运行过程中，识别哪个对象被锁住了。

下图直观地描述了交换指针的操作。

最后一步unlock中，我们发现，JVM同样使用了CAS来验证object mark word在持有锁到释放锁之间，有无被其他线程访问。
如果其他线程在持有锁这段时间里，尝试获取过锁，则可能自身被挂起，而mark word的重量级锁指针也会被相应修改。
此时，unlock后就需要唤醒被挂起的线程。