锁的四种状态

旧城等待， 2021-11-05 08:32 247阅读 0赞

### 锁的四种状态 ###

*  概念引入
 *   *  Java对象头
     *  Monitor
 *  四种锁状态
 *   *  无锁
     *  偏向锁
     *  轻量级锁
     *  重量级锁
 *  总结

# 概念引入 #

无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁，这四种锁是指锁的状态，专门针对synchronized的。在介绍这四种锁状态前，还需要介绍一些额外的知识。  
首先为什么synchronized能实现线程同步？  
在回答这个问题之前我们要先了解两个概念：Java对象头、Monitor。

## Java对象头 ##

synchronized是悲观锁，在操作同步资源之前要给同步资源加上锁，这把锁就是存在Java对象头里的。那么Java对象头又是什么呢？  
我们以HotSpot虚拟机为例，HotSpot的对象头主要包含两部分数据：Mark Word(标记字段)、Class Pointer(类型指针)  
Mark Word:  
默认存储对象的HashCode，分代年龄和锁标志位信息。这些信息都是与对象自身定义无关的数据，所以Mark Word被设计为一个非固定的数据结构，以便在极小的空间内存储尽量多的数据。它会根据对象的状态服用自己的存储空间，也就是说在运行期间，Mark Word 中的数据会随着锁标志位的变化而变化。  
Class Pointer:  
对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定它是哪个类的哪个实例。

## Monitor ##

Monitor可以理解为一个同步工具或一种同步机制，通常被描述为一个对象。每一个Java对象都有一把看不见的锁，被称为内部所或者Monitor锁。  
Monitor是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用monitor record 列表，同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个monitor关联，同时monitor中有一个Owner对象存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。

synchronized通过Monitor来实现线程同步，Monitor是依赖于底层操作系统的互斥锁(mutex lock)来实现的线程同步。

# 四种锁状态 #

就像我们在自旋锁中提到的“阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态切换需要耗费处理器时间，如果同步代码块中内容过于简单，这种切换的时间可能比用户代码执行的时间还长”。这种方式就是synchronized实现同步最初的方式，这就是JDK6以前synchronized效率低下的原因。这种依赖于操作系统Mutex Lock实现的锁称为“重量级锁”，JDK6中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”。

所以目前锁状态一种有四种，从级别由低到高依次是：无锁、偏向锁，轻量级锁，重量级锁，锁状态只能升级，不能降级。

通过上面的介绍，我们对synchronized的加锁机制以及相关的知识有了一定的了解，下面我们给出四种锁对应的Mark Word内容，再分别讲述这四种锁状态的思路以及特点

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>锁状态</th> 
   <th>存储内容</th> 
   <th>存储内容</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>无锁</td> 
   <td>对象的hashCode、对象分代年龄、是否是偏向锁(0)</td> 
   <td>01</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>偏向锁</td> 
   <td>偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄、是否是偏向锁(1)</td> 
   <td>01</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>轻量级锁</td> 
   <td>指向栈中锁记录的指针</td> 
   <td>00</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>重量级锁</td> 
   <td>指向互斥量的指针</td> 
   <td>11</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 无锁 ##

无锁没有对资源进行锁定，所有线程都能访问并修改同一份资源，但同时只有一个线程能修改成功。  
无锁的特点就是修改操作在循环内进行，线程会不断的尝试修改共享资源。如果没有冲突就修改成功并退出，否则就会继续不断尝试修改。如果有多个线程修改同一个值，必定会有一个修改成功，而其他失败的线程会不断尝试直到修改成功。之前我们介绍过的CAS原理其实就是无锁的实现。无锁无法全面代替有锁，但某些情况下，性能还是非常好的。

## 偏向锁 ##

偏向锁是指一段同步代码块一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁，降低获取锁的代价。  
在大多数情况下，锁总是被统一线程多次获得，不存在多线程竞争，所以出现了偏向锁。其目标就是在只有一个线程执行同步代码块时提高性能。  
当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在Mark Word里存锁偏向的ID。当线程进入和退出同步块时，不再通过CAS操作来加锁和解锁，而是检测Mark Word是否存放着当前线程的偏向锁。引入偏向锁在无多线程竞争情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，因为轻量级锁的获取以及释放依赖多次CAS原子指令，而偏向锁只需要在置换线程ID的时候依赖一次CAS原子指令就可以了。  
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无锁或者轻量级锁状态。  
偏向锁在JDK6以及以后的JVM中是默认开启的。可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-useBiasedLocking=false，关闭后程序默认会进入轻量级锁状态。

## 轻量级锁 ##

当锁是偏向锁时，只要被其他线程访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获得锁，不会阻塞，从而提高性能。  
在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁，虚拟机首先将在当前线程栈帧中建立一个名为锁记录(Lock Record)的空间，用于存放所对象目前的Mark Word拷贝，然后拷贝对象头中的Mark Word到锁记录中。  
拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向锁记录的指针，并将锁记录中的Owner指针指向对象的Mark Word。  
如果这个操作成功了，那么线程就有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置位“00”，表示此对象处于轻量级锁定状态。  
如果轻量级锁的更新操作失败了，虚拟机首先会检查当前对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是那就说明当前线程已经获得了对象锁，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。  
若当前只有一个等待线程，则该线程通过自旋等待。但当自旋超过一定次数，或者一个线程持有锁，一个线程在自旋，又有第三个线程来访问时，升级为重量级锁。

## 重量级锁 ##

升级为重量级锁时，锁标志位的状态值变为“10”，此时Mark Word中存储的是指向重量级锁的指针，此时所有等待锁的线程都会进入阻塞状态。

# 总结 #

偏向锁通过对比Mark Word 解决加锁问题，避免执行CAS操作。而轻量级锁是通过CAS操作和自旋来解决加锁问题，避免线程阻塞和唤醒带来的性能影响。重量级锁是将除拥有锁的线程之外的线程全部阻塞。