【Java并发实战】偏向锁-轻量级锁-重量级锁

【Java并发实战】偏向锁-轻量级锁-重量级锁

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在多线程并发编程中，synchronized一直都是元老级的角色，人们通常称为重量级锁，但是在jdk1.6之后，jdk就对synchronized做了大量的优化，这是候，我们就不能称他为重量级锁了，有时候它可以是很轻的。
synchronized
回顾一下synchronized
1.同步普通方法

public synchronized void  sync1() {
    // do somethings
}

在该方法中，synchronized锁的是当前实例的对象
2.同步静态方法

public static synchronized void sync2() {
    // do somethings
}

由于该方法是一个静态方法，那么它锁的是当前类的class对象。
3.通过方法块

public void sync3() {
    synchronized(this) {
        // do somethings
    }
}

public void sync4() {
    synchronized(MyTest.css) {
        // do somethings
    }
}

同步方法块是需要根据方法中具体同步的对象来实现的。

在上面代码中其实sync3()跟同步普通方法一样，锁的是当前实例对象；那么sync4方法就与同步静态方法一样，锁的是当前类的class对象。

从上面代码可以看出来的，我们通过使用synchronized关键字可以很简单的解决并发问题，但是其实是jvm底层通过使用一种叫内置锁的手段，简化了开发人员实现并发的复杂度，在jdk1.6以前 synchronized是基于重量锁实现的，即每次遇到同步代码都要获取锁，然后释放锁，在jdk1.6之后对其优化，根据不同场景使用不同的策略，这也就是 偏向锁、轻量锁、重量锁的来由。在介绍他们之前我先介绍一下另一个锁-自旋锁。听到这么多锁，是不是头晕，当初我学习的时候也是这样的。但是当你慢慢学习深入，你就会很容易的理解每个锁的作用

自旋锁

自旋锁顾明思意就是旋转等待的意思，那么它的作用是什么呢？
1.当前线程尝试去竞争锁
2.竞争失败，准备阻塞自己
3.但是并没有阻塞自己，而是采用自旋锁，进入自旋状态。
4.进入自旋状态，并且重新不断竞争锁。
5.如果自旋期间成功获取锁，那么结束自旋状态，否则进入阻塞状态。

如果在自旋期间成功获取锁，那么就减少一次线程的切换。

根据上面的解释我们可以很容易理解自旋锁的意义，因为CPU从内核状态切换至用户状态，线程的阻塞与恢复都会浪费资源的，但是通过自旋而不是去阻塞当前线程，那么就会节省这一个CPU状态的切换。

所以自旋锁适合在持有锁时间长，并且竞争不激烈的场景下使用。

使用-XX:-UseSpinning参数关闭自旋锁优化；-XX:preBlockSpin参数修改默认的自旋次数。

偏向锁

在实际场景中，如果一个同步方法，没有多线程竞争，并且总是由同一个线程多次获取锁，在这种场景下，如果每次还有阻塞线程，唤醒cpu从用户状态转核心态，那么对于cpu是一种资源的浪费，为了解决这类问题，就引入了偏向锁的概念。

“偏向”的意思是，偏向锁假设将来只有第一个申请锁的线程会使用锁（不会有任何线程再来申请锁），因此，只需要在Mark word中CAS记录owner（本质上也是更新，但初始值为空），如果记录成功，则偏向锁获取成功，记录锁的状态为偏向锁；否则说明有其他线程竞争，膨胀为轻量级锁。

具体的步骤如下：
1.访问同步代码块
2.检查对象头是都owner是否存储当前线程的id
3.如果没有，进行CAS尝试替换mark word中的owner。如果有执行同步代码块(代表获取锁成功)
4.修改成功(代表无竞争)owner修改为当前线程的id，执行同步代码块。修改失败（代表有竞争）进入撤销偏向锁，暂停线程并将owner置空，进入轻量级锁。

偏向锁无法使用自旋锁，因为一旦有其他线程申请资源，就破坏了偏向锁的假定。

如果你确定应用程序中所有的锁通常是在竞争状态，你可以通过JVM参数关闭偏向锁
UseBiasedLocking = false,那么程序会默认进入轻量锁状态。

轻量锁

偏向锁是为了解决同步代码在单线程下访问性能问题。
轻量级锁是为了解决减少无实际竞争情况下，使用重量级锁产生的性能消耗。

轻量锁，顾名思义，轻量是相对于重量的来说的，使用轻量级锁时，不需要申请互斥量(mutex)，而是将mark word中的信息复制到当前线程的栈中，然后通过CAS尝试修改mrak word并替换成轻量锁，如果替换成功则执行同步代码块。如果此时有线程2来竞争，并且他也尝试cas修改mark word但是失败了，那么线程2进入自旋状态，如果在自旋状态也没有修改成功，那么轻量锁将膨胀成重量级锁，mark word会被修改成重量锁标记(10,)，线程进入阻塞状态。

当然，由于轻量级锁天然瞄准不存在锁竞争的场景，及时存在锁竞争但是也不激烈，仍然可以通过使用自旋锁优化，自旋失败之后再膨胀称为重量级锁。

重量锁

在JVM规范中，synchronized是基于监视器锁(monitor)来实现的，它会在同步代码之前添加一个monitorenter指令，同时在同步代码结束处和异常处添加一个monitorexit指令去释放该对象的monitor。需要注意的是每一个对象都有一个monitor与之配对，当一个monitor被获取之后，也就是被monitorenter，它会处于锁定状态，其他尝试获取该对象的monitor线程会获取失败，只有当获取该对象的monitor的线程执行了monitorexit指令后，其他线程才有可能获取该对象的monitor成功。

所以从上面描述可以得出，监视器锁就是monitor它是互斥的(mutex)。由于它是互斥的，那么它的操作成本就非常的高，包括系统调用引起的内核态与用户态切换、线程阻塞造成的线程切换等。因此，后来称这种锁为“重量级锁”。

小结

偏向锁、轻量级锁、重量级锁适用于不同的并发场景：

偏向锁：无实际竞争，且将来只有第一个申请锁的线程会使用锁。
轻量级锁：无实际竞争，多个线程交替使用锁；允许短时间的锁竞争。
重量级锁：有实际竞争，且锁竞争时间长。

另外，如果锁竞争时间短，可以使用自旋锁进一步优化轻量级锁、重量级锁的性能，减少线程切换。
如果锁竞争程度逐渐提高（缓慢），那么从偏向锁逐步膨胀到重量锁，能够提高系统的整体性能。
同时需要注意锁可以升级，但是不能降级。
另外通过这次学习，大家应该也知道自从jdk1.6以后 synchronized已经被优化了，性能不会比Lock差
所以jdk.16版本及其以后版本的同学可以放心大胆的使用了。
最后附一张从偏向锁膨胀至重量锁的完全的流程图