【Java并发机制】锁的升级和对比

为了减少获得锁和释放锁所带来的的消耗，Java SE1.6引入了“偏向锁”和“轻量级锁”。锁一共有四种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级却不能降级，意味着偏向锁在升级为轻量级锁后不能降级为偏向锁。这种锁可以升级却不能降级的状态，是为了提高获得锁和释放锁的效率。

🦉偏向锁

大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储偏向锁的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需要简单的测试下对象头的Mark Word里是否存储着指向该线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要测试一下Mark Word中偏向锁的标志是否设置成了1（表示当前为偏向锁）：如果没有设置，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头中的偏向锁指向当前线程。

（1）偏向锁的撤销

偏向锁使用了一种等到竞争才释放锁的机制，所以当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。偏向锁的撤销，需要等到全局安全点（在这个时间点上，没有正在执行的字节码）。它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置为无锁状态；如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁状态或标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。

（2）关闭偏向锁

关闭偏向锁的情况下程序会默认进入轻量级锁

🦉轻量级锁

（1）轻量级锁加锁

线程在执行同步块之前，JVM会在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程线程竞争锁，当前线程便尝试使用自选来获取锁。

（2）轻量级锁解锁

轻量级锁解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，则表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀为重量级锁。因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋，一旦锁升级为重量级锁，就不会恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下，其他线程试图获取锁时，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。

偏向锁加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距，缺点在于如果存在锁竞争则会带来额外的锁撤销的消耗，适用于只有一个线程访问同步块场景。

轻量级锁，竞争的线程不会阻塞，提高了响应的速度，缺点在于如果始终得不到锁竞争的线程，使用自旋会消耗CPU，适用于追求响应时间，同步块执行速度非常快的场景。

重量级锁，通过互斥变量保持同步，线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU，缺点在于会导致线程阻塞，响应时间缓慢，适用于追求吞吐量，同步块执行速度较长的场景。