轻量级锁与重量级锁的区别

1、用户态与内核态

1.1 什么是用户态与内核态

用户态和内核态是操作系统的两种运行状态，这两个运行状态的区别主要是为了对访问能力进行限制，用户态的权限较低，而内核态的权限较高。用户态是指应用程序运行的环境，而内核态是指操作系统内核运行的环境。

• 用户态：用户态运行的程序只能受限地访问内存，只能直接读取用户程序的数据，并且不允许访问外围设备，用户态下的 CPU 不允许独占，也就是说 CPU 能够被其他程序获取。
• 内核态：内核态运行的程序可以访问计算机的任何数据和资源，不受限制，包括外围设备，比如网卡、硬盘等。处于内核态的 CPU 可以从一个程序切换到另外一个程序，并且占用 CPU 不会发生抢占情况。

1.2 用户态和内核态是如何切换的?

为什么要进行切换呢？

• 在用户态下，应用程序可以执行一般的操作，如读写文件、网络通信等。但是，有些特权操作，如访问硬件设备、修改内存映射等，需要通过系统调用来请求内核执行。这时，操作系统会将应用程序的状态保存起来，并切换到内核态执行相应的操作。

• 在内核态下，操作系统具有更高的权限和更广泛的资源访问能力。它可以执行特权指令、访问硬件设备、管理内存等。当内核完成相应的操作后，会将结果返回给应用程序，并将控制权切换回用户态。

• 用户态和内核态的切换是为了保护系统的安全性和稳定性。通过限制应用程序对系统资源的直接访问，可以防止恶意程序对系统造成破坏。同时，通过将特权操作交给内核执行，可以确保这些操作的正确性和一致性。

用户态和内核态的切换主要发生在以下几种情况：

• 系统调用：当用户程序需要请求操作系统提供的服务时，如读写文件、创建进程等，需要通过系统调用来实现。这时，会发生从用户态到内核态的切换。

• 中断处理：当硬件设备发生中断请求时，操作系统需要处理这个中断，这时，会发生从用户态到内核态的切换。

• 异常处理：当用户程序运行出错，如除0错误、访问非法内存等，操作系统需要处理这个异常，这时，会发生从用户态到内核态的切换。

用户态和内核态的切换过程如下：

1.保存当前程序的状态：包括程序计数器、寄存器等。

2.设置内核栈：因为用户栈和内核栈是分开的，所以需要切换到内核栈。

3.设置权限：将CPU的运行级别从用户态切换到内核态。

4.跳转到内核程序：根据中断向量表，跳转到相应的内核程序进行处理。

5.恢复程序状态：处理完后，恢复原来程序的状态，包括程序计数器、寄存器等。

6.恢复权限：将CPU的运行级别从内核态切换回用户态。

2、轻量级锁与重量级锁

2.1 什么是轻量级锁与重量级锁

重量级锁：我们知道，当要进入一个同步、线程安全的方法时，是需要先获得这个方法的锁的，退出这个方法时，则会释放锁。如果获取不到这个锁的话，意味着有别的线程在执行这个方法，这时我们就会马上进入阻塞的状态，等待那个持有锁的线程释放锁，然后再把我们从阻塞的状态唤醒，我们再去获取这个方法的锁。这种获取不到锁就马上进入阻塞状态的锁，我们称之为重量级锁。重点在于获取不到锁的线程，会一直处在等待状态，什么东西都做不了

• 优点：线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU。
• 缺点：线程阻塞，响应时间缓慢。

轻量级锁：一般都是用自旋锁+CAS来实现的，我们可以定义自选的次数，到达这个次数后，我们就退出，不抢这个锁了，然后走对应的逻辑；或者升级为重量级锁

• 优点：竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度。

• 缺点：如果始终得不到锁竞争的线程使用自旋会消耗CPU，因为执行CAS原语是要靠CPU的。

2.2 轻量级锁与重量级锁的区别

轻量级锁和重量级锁是Java中两种不同的锁机制，它们在多个方面有以下区别：

1. 用户态和内核态：

   • 轻量级锁主要在用户态下执行，当线程竞争不激烈时，使用轻量级锁可以避免在用户态和内核态之间切换的额外消耗，从而提高性能。
   • 重量级锁则需要切换到内核态执行，当线程竞争激烈时，使用重量级锁可以避免大量的CPU资源浪费在无效的轮询上。

2. 是否阻塞当前线程：

   • 轻量级锁在获取锁失败时，会采用自旋的方式尝试获取锁，不会阻塞当前线程。但如果自旋次数过多，仍无法获取到锁，那么轻量级锁会膨胀为重量级锁，此时会阻塞线程。
   • 重量级锁在获取锁失败时，会直接将线程阻塞，直到获取到锁为止。

3. 锁的状态：

   • 轻量级锁在锁对象的Mark Word中存储了锁定线程的栈帧信息，当锁被释放时，系统通过CAS操作来进行锁的释放。
   • 重量级锁在锁对象的Mark Word中存储了指向重量级锁（Monitor）的指针，当锁被释放时，需要唤醒被阻塞的线程。

4. 使用场景：

   • 轻量级锁适用于线程冲突较少的情况，因为线程冲突少，线程有很大概率在第一次就获取到锁，避免了系统切换的开销。
   • 重量级锁适用于线程冲突较多的情况，因为线程冲突多，自旋很可能无法在限定次数内获取到锁，此时阻塞线程反而能更好地节省CPU资源。

5. 性能开销：

   • 轻量级锁的性能开销主要来自于CAS操作和自旋等待，但在竞争不激烈的情况下，这些开销通常可以被接受。
   • 重量级锁的性能开销主要来自于线程切换和线程阻塞唤醒，这些开销在竞争激烈的情况下是必要的，因为它们可以避免CPU资源的浪费。

总的来说，轻量级锁和重量级锁各有优势，适用于不同的场景，Java虚拟机会根据具体情况动态地选择使用轻量级锁还是重量级锁。