【Java】锁机制

参考

https://blog.csdn.net/varyall/article/details/79698145

《深入理解Java虚拟机》

锁状态：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁（具体是何种状态，取决于竞争情况）

这三个只是代表锁的状态。而非动作。

首先了解为什么锁的是对象

HotSpot虚拟机的对象的内存分布主要分为三个部分：

• 对象头（分为两部分）

  1. 第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希吗，GC分代年龄（又称为Mark Word）

  2. 第二部分用于存储指向方法区对象类型数据的指针。即是对象指向它的类的元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据。

• 实例数据（真正存储有效信息）

• 对齐填充（非必须，仅起着占位符的作用）

  HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，即对象大小必须是8字节的整数倍。而对象头正好是8字节的整数倍，而对象实例数据部分没有对齐，需要通过对齐填充来补全。

虚拟机通过Mark Word的信息来区分锁的状态：

Epoch：偏向时间戳

轻量级锁、重量级锁、偏向锁

这四种状态都不是Java语言中的锁，而是Jvm为了提高锁的获取与释放效率而做的优化

四种状态会随着竞争的情况逐渐升级，而且是不可逆的过程，即不可降级。

• 轻量级锁：本意是在没有多线程竞争的前提下，通过CAS操作而避免了使用互斥量的开销。

  在只有两个线程的情况下，提高性能。

• 偏向锁：大多数情况下，锁不存在多线程竞争，而是总是由同一线程多次获得时，为了使线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。提高了带有同步，但无竞争的程序性能。

  在只有一个线程的情况下，进一步提高性能。

轻量级锁的原理

1. 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。

2. 将还没有被锁定的同步对象的对象头中的Mark Word拷贝到锁记录空间中

3. 拷贝成功后，使用CAS操作将对象头中的Mark Word修改为一个指针（指向此线程的锁记录空间）

4. 如果CAS操作成功，这个线程就拥有了该对象锁，并将锁标志“01”改为“00”，即表示此对象处于轻量级锁的状态。此时，如果有另一个线程竞争轻量级锁，则会发生自旋。

5. 如果失败了，说明这个Mark Word已经被别的线程拿走了，如果存在两条以上的线程争夺同一个锁，那么轻量级锁就会膨胀为重量级锁。锁标志则被修改为“10”。膨胀之后，不可逆转。变成重量级锁之后，其他竞争失败的线程不会自旋，而是阻塞。（大量线程自旋，极大浪费CPU）

解锁过程：

1. 依然是CAS操作，将上面被替换的Mark Word再替换回对象头中。

2. 替换失败，说明轻量级锁已经膨胀成了重量级锁，所以CAS操作替换失败，此时，一定有其他线程在抢夺锁的过程中被阻塞，这时候，释放锁的同事，唤醒被挂起的线程。

偏向锁

轻量级锁的获取和释放都依赖于CAS原子操作，而偏向锁是在无竞争的情况下，连CAS操作都不做了。只有在需要置换ThreadID的时候，执行一次CAS原子操作。在只有一个线程执行同步块的情况下，进一步提高性能。

偏向锁的获取过程：

1. 在对象第一次被线程获取的时候，查看Mark Word中偏向锁标志是否为1，锁标志是否为01。是否已经确定Thread ID，如果已经确定，则不需要CAS操作，直接执行同步代码块。

2. 如果没有确定Thread ID，则通过CAS操作竞争锁，成功：则将Mark Word中的Thread ID设置为当前线程ID，然后执行同步代码块

3. 如果竞争失败：则说明有线程一同竞争，偏向锁会升级为轻量级锁。竞争失败的线程自旋。

偏向锁的释放：

如果没有竞争，线程不会主动释放偏向锁，只有在有竞争的情况下，偏向锁会被撤销，提升为轻量级锁。

三种锁的转化

三种锁对比

自旋锁

线程的阻塞，挂起，唤醒，都会给系统性能带来压力。

有时候线程只需要等待很短的时间，这个时间将线程挂机，就很不值得。

所以自旋技术：让线程执行一个忙循环（自旋），稍等一下。这就是自旋锁。

-XX:+UseSpinning开启自旋锁。JDK1.6之后，默认开启。

自旋锁的效果：避免了线程切换的开销，但是在自旋过程中要占用CPU。如果锁被占用很短，自旋时间很短，自旋等待的效果就会很好，反之，如果锁占用时间长，自旋就会很浪费资源。

JDK1.6之前自旋默认循环次数为10次。可以使用参数-XX:PreBlockSpin来修改。

JDK1.6之后，次数不在固定，可以自适应，由同一个锁的前一个自旋时间来决定。比如：上一个等待此锁的线程自旋了多久，这次系统就会让此线程自旋多久。

锁消除

对于堆内存中永远不会逃逸，不会被其他线程访问到的变量，就认为是线程私有的，无需同步加锁。

虚拟机即时编译器在运行时，如果检测到不可能存在共享数据竞争的锁，说明这个锁无意义，就会自动进行消除这个锁。这就是锁消除。

// 看起来没有同步的方法
public String concatString(String str1,String str2,String str3){
    return str1 + str2 + str3;
}
// 在JDK1.5之前，会自动转化为StringBuffer进行append（）操作
public String concatString(String str1,String str2,String str3){
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(str1);
    sb.append(str2);
    sb.append(str3);
    return sb.toString();
}

锁粗化

原则上，将同步块的作用范围限制的尽量小，在多线程中的互斥同步的操作数量就会尽可能的小，如果存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快拿到锁。

大部分情况下，这是正确的。但是，如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作在循环体中，即使没有竞争，频繁互斥同步也会导致不必要的性能损耗。

锁粗化：如果虚拟机检测到有这样一连串零碎操作（如上面的代码）都对同一个对象加锁，将会把加锁同步的范围扩大到整个操作序列的外部。