Java中的偏向锁，轻量级锁，重量级锁解析

萧萧九宸

已于 2022-03-31 21:58:18 修改

阅读量6.7w

点赞数 191

CC 4.0 BY-SA版权

分类专栏： java 文章标签： CLH CLH锁 CLH队列锁

于 2018-08-13 18:39:49 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/lengxiao1993/article/details/81568130

文章目录

参考文章

Java 中的锁

在 Java 中主要2种加锁机制:

synchronized 关键字
java.util.concurrent.Lock （Lock是一个接口，ReentrantLock是该接口一个很常用的实现）

这两种机制的底层原理存在一定的差别

synchronized 关键字通过一对字节码指令 monitorenter/monitorexit 实现，这对指令被 JVM 规范所描述。
java.util.concurrent.Lock 通过 Java 代码搭配sun.misc.Unsafe 中的本地调用实现的

一些先修知识

先修知识 1： Java 对象头

字宽（Word）: 内存大小的单位概念，对于 32 位处理器 1 Word = 4 Bytes， 64 位处理器 1 Word = 8 Bytes
每一个 Java 对象都至少占用 2 个字宽的内存(数组类型占用3个字宽)。
- 第一个字宽也被称为对象头Mark Word。对象头包含了多种不同的信息，其中就包含对象锁相关的信息。
- 第二个字宽是指向定义该对象类信息（class metadata）的指针
非数组类型的对象头的结构如下图
说明：
- MarkWord 中包含对象 hashCode 的那种无锁状态是偏向机制被禁用时，分配出来的无锁对象MarkWord 起始状态
- 偏向机制被启用时，分配出来的对象状态是 ThreadId|Epoch|age|1|01, ThreadId 为空时标识对象尚未偏向于任何一个线程， ThreadId 不为空时，对象既可能处于偏向特定线程的状态，也有可能处于已经被特定线程占用完毕释放的状态，需结合 Epoch 和其他信息判断对象是否允许再偏向（rebias）。

下面的图片来自参考论文 Eliminating Synchronization-Related Atomic Operations with Biased Locking and Bulk Rebiasing ，可以与上面的表格进行比对参照，更为清晰, 可以看出来，标志位（tag bits）可以直接确定唯一的一种锁状态

在这里插入图片描述

先修知识 2： CAS 指令

CAS （Compare And Swap）指令是一个CPU层级的原子性操作指令。在 Intel 处理器中，其汇编指令为 cmpxchg。
该指令概念上存在 3 个参数，第一个参数【目标地址】，第二个参数【值1】，第三个参数【值2】，指令会比较【目标地址存储的内容】和【值1】是否一致，如果一致，则将【值 2】填写到【目标地址】，其语义可以用如下的伪代码表示。

function cas(p , old , new ) returns bool {
    if *p ≠ old { // *p 表示指针p所指向的内存地址
        return false
    }
    *p ← new
    return true
}

注意：该指令是是原子性的，也就是说 CPU 执行该指令时，是不会被中断执行其他指令的

先修知识 3： “CAS”实现的"无锁"算法常见误区

误区一：通过简单应用 “比较后再赋值” 的操作即可轻松实现很多无锁算法
- CAS 指令的一个不可忽略的特征是原子性。在 CPU 层面， CAS 指令的执行是有原子性语义保证的，如果 CAS 操作放在应用层面来实现，则需要我们自行保证其原子性。否则就会发生如下描述的问题：

// 下列的函数如果不是线程互斥的, 是错误的 CAS 实现
function cas( p , old , new) returns bool {
    if *p ≠ old { // 此处的比较操作进行时， 可以同时有多个线程通过该判断
        return false
    }
    *p ← new // 多个线程的赋值操作会相互覆盖， 造成程序逻辑的错误
    return true
}

误区二： CAS 操作的 ABA 问题
- 大部分网络博文对 ABA 问题的常见描述是：应用 CAS 操作时，目标地址的值刚开始为 A，工作线程/进程读取后，进行了一系列运算，计算得出了新值 C，在此期间，目标地址的值被其他线程已经进行了不止一次修改， 其值已经从 A 被改为 B ，又改回 A， 此时便会发生同步问题。
- 上面的描述是其实是错误的，思考一下就会发现，如果工作线程的操作目的是将目标地址的值从 A 改为 C，那么即便在这期间目标地址的值经过了其他线程或进程的多次修改，其语义依旧是正确的。
- 例如目前要将某银行账号的余额扣除 50，通过 CAS 保证同步：
  - 首先读取原有余额为 100 ，
  - 计算余额应该赋值为 100 - 50 = 50
  - 此时该线程被挂起，该账户同时又发生了转入 150 和转出 150 的操作，余额经历了 100 -》250 -》100 的变动
  - 线程被唤醒，进行 CAS 赋值操作 cas（p， 100， 50），正常得以执行。
  - 该账户的余额依旧是正确的
- 通过上述例子就可以发现， ABA 的问题并不在于多次修改。查阅一下 CAS 的 wiki 解释，就会发现， ABA 真正的问题是，假如目标地址的内容被多次修改以后，虽然从二进制上来看是依旧是 A，但是其语义已经不是 A 。例如，发生了整数溢出，内存回收等等。

先修知识 4： 栈帧（Stack Frame） 的概念

这个概念涉及的内容较多，不便于展开叙述。从理解下文的角度上来讲，需要知道，每个线程都有自己独立的内存空间，栈帧就是其中的一部分。里面可以存储仅属于该线程的一些信息。
需要深入了解的同学，需要自行查阅栈帧相关的概念

先修知识 5： 轻量级加锁的过程

轻量级加锁的过程在参考文章一中有较为的描述以及配图，这里直接将其摘抄过来，做轻微整理和调整

（1）在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为“01”状态”, 是否可偏向的标志位是 “1”），也就是如下状态

，然后，虚拟机会首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，官方称之为 Displaced Mark Word。

（2）拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中。这时候线程堆栈与对象头的状态如图2.1所示
图 2.1
（3）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Lock Record的指针，并将Lock record里的owner指针指向object mark word。如果更新成功，则执行步骤（4），否则执行步骤（5）。
（4）如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态，这时候线程堆栈与对象头的状态如图2.2所示。
图2.2
5）如果这个更新操作失败了，说明多个线程竞争锁，轻量级锁就要膨胀为重量级锁

先修知识 6： 重量级加锁的过程

轻量级锁在向重量级锁膨胀的过程中，一个操作系统的互斥量（mutex）和条件变量( condition variable )会和这个被锁的对象关联起来。
具体而言，在锁膨胀时，被锁对象的 markword 会被通过 CAS 操作尝试更新为一个数据结构的指针，这个数据结构中进一步包含了指向操作系统互斥量(mutex) 和条件变量（condition variable）的指针