Java并发编程之锁膨胀

(图片出自黑马程序员)

一、锁膨胀的触发条件

1. 多线程竞争：当多个线程尝试获取同一个对象的锁。
2. 自旋失败：竞争线程在轻量级锁阶段通过自旋（循环重试）尝试获取锁失败，达到阈值（如自旋次数超过JVM动态调整的阈值）。

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二、轻量级锁 → Monitor锁的详细过程

1. 初始状态（轻量级锁）

• 场景：单线程或低并发环境下，线程通过CAS操作将对象头的Mark Word替换为指向线程栈中锁记录的指针。
• 对象头标记：Mark Word标记为轻量级锁状态（标志位 00）。
• 特点：无需操作系统介入，性能开销低。

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java对象头:

Mark Word结构:

2. 竞争发生

• 线程B尝试获取锁：当另一个线程（线程1）尝试通过CAS获取锁时，发现对象头中的指针已被线程0占用。
  

• 自旋尝试：线程1进入自旋状态（循环重试），等待线程0释放锁。

3. 自旋失败，触发锁膨胀

• 自旋超限：若线程1自旋一定次数后仍未获取锁（默认策略或适应性自旋策略判断失败），JVM判定为高竞争场景。
• 锁膨胀流程：

  1. 分配Monitor对象：JVM为当前对象创建一个ObjectMonitor（Monitor锁的核心结构）。

  2. 修改对象头：将对象头的Mark Word替换为指向ObjectMonitor的指针，标志位变为重量级锁（10）。
     

  3. 线程状态变更：

     • 线程0继续执行同步代码，但锁的管理移交至ObjectMonitor。
     • 线程1被挂起（进入阻塞状态），加入ObjectMonitor的等待队列（EntryList）。

4. Monitor锁的运行机制

• ObjectMonitor结构：
  • owner：指向持有锁的线程。
  • EntryList：阻塞等待锁的线程队列。
  • WaitSet：调用wait()方法的线程队列。
• 锁竞争失败后的行为：
  • 线程竞争锁失败后直接进入阻塞状态（通过操作系统互斥量实现），不再自旋。
  • 锁释放后，JVM从EntryList中唤醒线程重新竞争。

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三、总结

1. 锁膨胀不可逆：一旦升级为重量级锁，不会降级（除非对象被回收后重新创建）。
2. 性能权衡：
   • 轻量级锁：低开销（CAS + 自旋），适合低竞争场景。
   • Monitor锁：高开销（涉及操作系统内核态切换），但避免CPU空转，适合高竞争场景。
3. 适应性自旋优化：JDK 6后JVM根据历史竞争情况动态调整自旋次数。