Java多线程轻量级锁和锁的升级

朱雀 2021-09-29 23:00 257阅读 0赞

> 偏向锁、轻量级锁、自旋锁、重量级锁

*  悲观锁：重量锁（典型代表synchronized）
 *  乐观锁：偏向锁、轻量级锁、自旋锁

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### 自旋锁 ###

**【定义】**

自旋锁原理非常简单，如果持有锁的线程能在很短时间内释放锁资源，那么那些等待竞争锁的线程就不需要做内核态和用户态之间的切换进入阻塞挂起状态，它们只需要等一等（自旋），等持有锁的线程释放锁后即可立即获取锁，这样就避免用户线程和内核的切换的消耗。

但是线程自旋是需要消耗 CPU 的，说白了就是让 CPU 在做无用功，如果一直获取不到锁，那线程也不能一直占用 CPU 自旋做无用功，所以需要设定一个自旋等待的最大时间。

如果持有锁的线程执行的时间超过自旋等待的最大时间扔没有释放锁，就会导致其它争用锁的线程在最大等待时间内还是获取不到锁，这时争用线程会停止自旋进入阻塞状态。

**【自旋锁的优缺点】**

自旋锁尽可能的减少线程的阻塞，这对于锁的竞争不激烈，且占用锁时间非常短的代码块来说性能能大幅度的提升，因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起再唤醒的操作的消耗，这些操作会导致线程发生两次上下文切换！

但是如果锁的竞争激烈，或者持有锁的线程需要长时间占用锁执行同步块，这时候就不适合使用自旋锁了，因为自旋锁在获取锁前一直都是占用 cpu 做无用功，占着 XX 不 XX，同时有大量线程在竞争一个锁，会导致获取锁的时间很长，线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操作的消耗，其它需要 cpu 的线程又不能获取到 cpu，造成 cpu 的浪费。所以这种情况下我们要关闭自旋锁；

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### 偏向锁 ###

**【定义】**

Java 偏向锁 (Biased Locking) 是 Java6 引入的一项多线程优化。  
偏向锁，顾名思义，它会**偏向于第一个访问锁的线程**，如果在运行过程中，同步锁只有一个线程访问，不存在多线程争用的情况，则线程是不需要触发同步的，这种情况下，就会给线程加一个偏向锁。

如果在运行过程中，遇到了其他线程抢占锁，则持有偏向锁的线程会被挂起，JVM 会消除它身上的偏向锁，将锁恢复到标准的轻量级锁。

它通过消**除资源无竞争情况下的同步原语**，进一步提高了程序的运行性能。

**【偏向锁的实现】**

1.  获取
    
     *  访问 Mark Word 中偏向锁的标识是否设置成 1，锁标志位是否为 01，确认为可偏向状态。
     *  如果为可偏向状态，则测试线程 ID 是否指向当前线程，如果是，进入步骤 5，否则进入步骤 3。
     *  如果线程 ID 并未指向当前线程，则通过 CAS 操作竞争锁。如果竞争成功，则将 Mark Word 中线程 ID 设置为当前线程 ID，然后执行 5；如果竞争失败，执行 4。
     *  如果 CAS 获取偏向锁失败，则表示有竞争。当到达全局安全点（safepoint）时获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码。（撤销偏向锁的时候会导致 stop the word）
     *  执行同步代码。

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1.  释放  
    偏向锁的撤销在上述第四步骤中有提到。偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动去释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态，撤销偏向锁后恢复到未锁定（标志位为 “01”）或轻量级锁（标志位为 “00”）的状态。
2.  偏向锁的适用场景  
    始终**只有一个线程在执行同步块**，在它没有执行完释放锁之前，没有其它线程去执行同步块，在锁无竞争的情况下使用，一旦有了竞争就升级为轻量级锁，升级为轻量级锁的时候需要撤销偏向锁，撤销偏向锁的时候会导致 stop the world 操作；  
    在有锁的竞争时，偏向锁会多做很多额外操作，尤其是撤销偏向所的时候会导致进入安全点，安全点会导致 stw，导致性能下降，这种情况下应当禁用；

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### 轻量级锁 ###

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；

### 总结 ###

上面几种锁都是 JVM 自己内部实现，当我们执行 synchronized 同步块的时候 jvm 会根据启用的锁和当前线程的争用情况，决定如何执行同步操作；

在所有的锁都启用的情况下线程进入临界区时会先去获取偏向锁，如果已经存在偏向锁了，则会尝试获取轻量级锁，启用自旋锁，如果自旋也没有获取到锁，则使用重量级锁，没有获取到锁的线程阻塞挂起，直到持有锁的线程执行完同步块唤醒他们；

**这是synchronized在jdk1.5之后的优化**

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### 多线程锁的升级原理 ###

锁的级别从低到高：

无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁

*  **无锁**：没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功，其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。
 *  **偏向锁**：对象的代码一直被同一线程执行，不存在多个线程竞争，该线程在后续的执行中自动获取锁，降低获取锁带来的性能开销。
 *  **轻量级锁**：轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候，被第二个线程 B 所访问，此时偏向锁就会升级为轻量级锁，线程 B 会通过自旋的形式尝试获取锁，线程不会阻塞，从而提高性能。
 *  **重量级锁**：又有第三个线程来访时，轻量级锁也会升级为重量级锁。当有一个线程获取锁之后，其余所有等待获取该锁的线程都会处于阻塞状态。

重量级锁通过对象内部的监视器（monitor）实现，而其中 monitor 的本质是依赖于底层操作系统的 Mutex Lock 实现，操作系统实现线程之间的切换需要从**用户态切换到内核态**，切换成本非常高。