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一、前言

鎖的狀態(tài)總共有四種，級(jí)別由低到高依次為：無(wú)鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖，這四種鎖狀態(tài)分別代表什么，為什么會(huì)有鎖升級(jí)?其實(shí)在 JDK 1.6之前，synchronized 還是一個(gè)重量級(jí)鎖，是一個(gè)效率比較低下的鎖，但是在JDK 1.6后，Jvm為了提高鎖的獲取與釋放效率對(duì)(synchronized )進(jìn)行了優(yōu)化，引入了 偏向鎖 和 輕量級(jí)鎖 ，從此以后鎖的狀態(tài)就有了四種(無(wú)鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖)，并且四種狀態(tài)會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)的情況逐漸升級(jí)，而且是不可逆的過(guò)程，即不可降級(jí)，也就是說(shuō)只能進(jìn)行鎖升級(jí)(從低級(jí)別到高級(jí)別)，不能鎖降級(jí)(高級(jí)別到低級(jí)別)，意味著偏向鎖升級(jí)成輕量級(jí)鎖后不能降級(jí)成偏向鎖。這種鎖升級(jí)卻不能降級(jí)的策略，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。

二、鎖的四種狀態(tài)

在 synchronized 最初的實(shí)現(xiàn)方式是 “阻塞或喚醒一個(gè)Java線程需要操作系統(tǒng)切換CPU狀態(tài)來(lái)完成，這種狀態(tài)切換需要耗費(fèi)處理器時(shí)間，如果同步代碼塊中內(nèi)容過(guò)于簡(jiǎn)單，這種切換的時(shí)間可能比用戶代碼執(zhí)行的時(shí)間還長(zhǎng)”，這種方式就是 synchronized實(shí)現(xiàn)同步最初的方式，這也是當(dāng)初開發(fā)者詬病的地方，這也是在JDK6以前 synchronized效率低下的原因，JDK6中為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來(lái)的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級(jí)鎖”。

所以目前鎖狀態(tài)一種有四種，從級(jí)別由低到高依次是：無(wú)鎖、偏向鎖，輕量級(jí)鎖，重量級(jí)鎖，鎖狀態(tài)只能升級(jí)，不能降級(jí)

如圖所示：

三、鎖狀態(tài)的思路以及特點(diǎn)

四、鎖對(duì)比

五、Synchronized鎖

synchronized 用的鎖是存在Java對(duì)象頭里的，那么什么是對(duì)象頭呢?

5.1 Java 對(duì)象頭

我們以 Hotspot 虛擬機(jī)為例，Hopspot 對(duì)象頭主要包括兩部分?jǐn)?shù)據(jù)：MarkWord(標(biāo)記字段)和KlassPointer(類型指針)

Mark Word：默認(rèn)存儲(chǔ)對(duì)象的HashCode，分代年齡和鎖標(biāo)志位信息。這些信息都是與對(duì)象自身定義無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)，所以Mark Word被設(shè)計(jì)成一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以便在極小的空間內(nèi)存存儲(chǔ)盡量多的數(shù)據(jù)。它會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間，也就是說(shuō)在運(yùn)行期間Mark Word里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)隨著鎖標(biāo)志位的變化而變化。

Klass Point：對(duì)象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機(jī)通過(guò)這個(gè)指針來(lái)確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例。

在上面中我們知道了， synchronized 用的鎖是存在Java對(duì)象頭里的，那么具體是存在對(duì)象頭哪里呢?答案是：存在鎖對(duì)象的對(duì)象頭的Mark Word中，那么MarkWord在對(duì)象頭中到底長(zhǎng)什么樣，它到底存儲(chǔ)了什么呢?

在64位的虛擬機(jī)中：

在32位的虛擬機(jī)中：

 

下面我們以 32位虛擬機(jī)為例，來(lái)看一下其 Mark Word 的字節(jié)具體是如何分配的

無(wú)鎖：對(duì)象頭開辟 25bit 的空間用來(lái)存儲(chǔ)對(duì)象的 hashcode ，4bit 用于存放對(duì)象分代年齡，1bit 用來(lái)存放是否偏向鎖的標(biāo)識(shí)位，2bit 用來(lái)存放鎖標(biāo)識(shí)位為01

偏向鎖： 在偏向鎖中劃分更細(xì)，還是開辟 25bit 的空間，其中23bit 用來(lái)存放線程ID，2bit 用來(lái)存放 Epoch，4bit 存放對(duì)象分代年齡，1bit 存放是否偏向鎖標(biāo)識(shí)， 0表示無(wú)鎖，1表示偏向鎖，鎖的標(biāo)識(shí)位還是01

輕量級(jí)鎖：在輕量級(jí)鎖中直接開辟 30bit 的空間存放指向棧中鎖記錄的指針，2bit 存放鎖的標(biāo)志位，其標(biāo)志位為00

重量級(jí)鎖： 在重量級(jí)鎖中和輕量級(jí)鎖一樣，30bit 的空間用來(lái)存放指向重量級(jí)鎖的指針，2bit 存放鎖的標(biāo)識(shí)位，為11

GC標(biāo)記： 開辟30bit 的內(nèi)存空間卻沒(méi)有占用，2bit 空間存放鎖標(biāo)志位為11。

其中無(wú)鎖和偏向鎖的鎖標(biāo)志位都是01，只是在前面的1bit區(qū)分了這是無(wú)鎖狀態(tài)還是偏向鎖狀態(tài)

關(guān)于內(nèi)存的分配，我們可以在git中openJDK中 markOop.hpp 可以看出：

public: 
  // Constants 
  enum { age_bits                 = 4, 
         lock_bits                = 2, 
         biased_lock_bits         = 1, 
         max_hash_bits            = BitsPerWord - age_bits - lock_bits - biased_lock_bits, 
         hash_bits                = max_hash_bits > 31 ? 31 : max_hash_bits, 
         cms_bits                 = LP64_ONLY(1) NOT_LP64(0), 
         epoch_bits               = 2 
  }; 

• age_bits： 就是我們說(shuō)的分代回收的標(biāo)識(shí)，占用4字節(jié)
• lock_bits： 是鎖的標(biāo)志位，占用2個(gè)字節(jié)
• biasedlockbits： 是是否偏向鎖的標(biāo)識(shí)，占用1個(gè)字節(jié)
• maxhashbits： 是針對(duì)無(wú)鎖計(jì)算的hashcode 占用字節(jié)數(shù)量，如果是32位虛擬機(jī)，就是 32 - 4 - 2 -1 = 25 byte，如果是64 位虛擬機(jī)，64 - 4 - 2 - 1 = 57 byte，但是會(huì)有 25 字節(jié)未使用，所以64位的 hashcode 占用 31 byte
• hash_bits： 是針對(duì) 64 位虛擬機(jī)來(lái)說(shuō)，如果最大字節(jié)數(shù)大于 31，則取31，否則取真實(shí)的字節(jié)數(shù)
• cms_bits： 不是64位虛擬機(jī)就占用 0 byte，是64位就占用 1byte
• epoch_bits： 就是 epoch 所占用的字節(jié)大小，2字節(jié)。

5.2 Monitor

Monitor 可以理解為一個(gè)同步工具或一種同步機(jī)制，通常被描述為一個(gè)對(duì)象。每一個(gè) Java 對(duì)象就有一把看不見的鎖，稱為內(nèi)部鎖或者 Monitor 鎖。

Monitor 是線程私有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每一個(gè)線程都有一個(gè)可用 monitor record 列表，同時(shí)還有一個(gè)全局的可用列表。每一個(gè)被鎖住的對(duì)象都會(huì)和一個(gè) monitor 關(guān)聯(lián)，同時(shí) monitor 中有一個(gè) Owner 字段存放擁有該鎖的線程的唯一標(biāo)識(shí)，表示該鎖被這個(gè)線程占用。

Synchronized是通過(guò)對(duì)象內(nèi)部的一個(gè)叫做監(jiān)視器鎖(monitor)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，監(jiān)視器鎖本質(zhì)又是依賴于底層的操作系統(tǒng)的 Mutex Lock(互斥鎖)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個(gè)成本非常高，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對(duì)比較長(zhǎng)的時(shí)間，這就是為什么 Synchronized 效率低的原因。因此，這種依賴于操作系統(tǒng) Mutex Lock 所實(shí)現(xiàn)的鎖我們稱之為重量級(jí)鎖。

隨著鎖的競(jìng)爭(zhēng)，鎖可以從偏向鎖升級(jí)到輕量級(jí)鎖，再升級(jí)的重量級(jí)鎖(但是鎖的升級(jí)是單向的，也就是說(shuō)只能從低到高升級(jí)，不會(huì)出現(xiàn)鎖的降級(jí))。JDK 1.6中默認(rèn)是開啟偏向鎖和輕量級(jí)鎖的，我們也可以通過(guò)-XX:-UseBiasedLocking=false來(lái)禁用偏向鎖。

六、鎖的分類

6.2 無(wú)鎖

無(wú)鎖是指沒(méi)有對(duì)資源進(jìn)行鎖定，所有的線程都能訪問(wèn)并修改同一個(gè)資源，但同時(shí)只有一個(gè)線程能修改成功。

無(wú)鎖的特點(diǎn)是修改操作會(huì)在循環(huán)內(nèi)進(jìn)行，線程會(huì)不斷的嘗試修改共享資源。如果沒(méi)有沖突就修改成功并退出，否則就會(huì)繼續(xù)循環(huán)嘗試。如果有多個(gè)線程修改同一個(gè)值，必定會(huì)有一個(gè)線程能修改成功，而其他修改失敗的線程會(huì)不斷重試直到修改成功。

6.3 偏向鎖

初次執(zhí)行到synchronized代碼塊的時(shí)候，鎖對(duì)象變成偏向鎖(通過(guò)CAS修改對(duì)象頭里的鎖標(biāo)志位)，字面意思是“偏向于第一個(gè)獲得它的線程”的鎖。執(zhí)行完同步代碼塊后，線程并不會(huì)主動(dòng)釋放偏向鎖。當(dāng)?shù)诙蔚竭_(dá)同步代碼塊時(shí)，線程會(huì)判斷此時(shí)持有鎖的線程是否就是自己(持有鎖的線程ID也在對(duì)象頭里)，如果是則正常往下執(zhí)行。由于之前沒(méi)有釋放鎖，這里也就不需要重新加鎖。如果自始至終使用鎖的線程只有一個(gè)，很明顯偏向鎖幾乎沒(méi)有額外開銷，性能極高。

偏向鎖是指當(dāng)一段同步代碼一直被同一個(gè)線程所訪問(wèn)時(shí)，即不存在多個(gè)線程的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，那么該線程在后續(xù)訪問(wèn)時(shí)便會(huì)自動(dòng)獲得鎖，從而降低獲取鎖帶來(lái)的消耗，即提高性能。

當(dāng)一個(gè)線程訪問(wèn)同步代碼塊并獲取鎖時(shí)，會(huì)在 Mark Word 里存儲(chǔ)鎖偏向的線程 ID。在線程進(jìn)入和退出同步塊時(shí)不再通過(guò) CAS 操作來(lái)加鎖和解鎖，而是檢測(cè) Mark Word 里是否存儲(chǔ)著指向當(dāng)前線程的偏向鎖。輕量級(jí)鎖的獲取及釋放依賴多次 CAS 原子指令，而偏向鎖只需要在置換 ThreadID 的時(shí)候依賴一次 CAS 原子指令即可。

偏向鎖只有遇到其他線程嘗試競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖時(shí)，持有偏向鎖的線程才會(huì)釋放鎖，線程是不會(huì)主動(dòng)釋放偏向鎖的。

關(guān)于偏向鎖的撤銷，需要等待全局安全點(diǎn)，即在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上沒(méi)有字節(jié)碼正在執(zhí)行時(shí)，它會(huì)先暫停擁有偏向鎖的線程，然后判斷鎖對(duì)象是否處于被鎖定狀態(tài)。如果線程不處于活動(dòng)狀態(tài)，則將對(duì)象頭設(shè)置成無(wú)鎖狀態(tài)，并撤銷偏向鎖，恢復(fù)到無(wú)鎖(標(biāo)志位為01)或輕量級(jí)鎖(標(biāo)志位為00)的狀態(tài)。

6.4 輕量級(jí)鎖(自旋鎖)

 

輕量級(jí)鎖是指當(dāng)鎖是偏向鎖的時(shí)候，卻被另外的線程所訪問(wèn)，此時(shí)偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖，其他線程會(huì)通過(guò)自旋(關(guān)于自旋的介紹見文末)的形式嘗試獲取鎖，線程不會(huì)阻塞，從而提高性能。

輕量級(jí)鎖的獲取主要由兩種情況：① 當(dāng)關(guān)閉偏向鎖功能時(shí);② 由于多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖導(dǎo)致偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖。

一旦有第二個(gè)線程加入鎖競(jìng)爭(zhēng)，偏向鎖就升級(jí)為輕量級(jí)鎖(自旋鎖)。這里要明確一下什么是鎖競(jìng)爭(zhēng)：如果多個(gè)線程輪流獲取一個(gè)鎖，但是每次獲取鎖的時(shí)候都很順利，沒(méi)有發(fā)生阻塞，那么就不存在鎖競(jìng)爭(zhēng)。只有當(dāng)某線程嘗試獲取鎖的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)該鎖已經(jīng)被占用，只能等待其釋放，這才發(fā)生了鎖競(jìng)爭(zhēng)。

在輕量級(jí)鎖狀態(tài)下繼續(xù)鎖競(jìng)爭(zhēng)，沒(méi)有搶到鎖的線程將自旋，即不停地循環(huán)判斷鎖是否能夠被成功獲取。獲取鎖的操作，其實(shí)就是通過(guò)CAS修改對(duì)象頭里的鎖標(biāo)志位。先比較當(dāng)前鎖標(biāo)志位是否為“釋放”，如果是則將其設(shè)置為“鎖定”，比較并設(shè)置是原子性發(fā)生的。這就算搶到鎖了，然后線程將當(dāng)前鎖的持有者信息修改為自己。

長(zhǎng)時(shí)間的自旋操作是非常消耗資源的，一個(gè)線程持有鎖，其他線程就只能在原地空耗CPU，執(zhí)行不了任何有效的任務(wù)，這種現(xiàn)象叫做忙等(busy-waiting)。如果多個(gè)線程用一個(gè)鎖，但是沒(méi)有發(fā)生鎖競(jìng)爭(zhēng)，或者發(fā)生了很輕微的鎖競(jìng)爭(zhēng)，那么synchronized就用輕量級(jí)鎖，允許短時(shí)間的忙等現(xiàn)象。這是一種折衷的想法，短時(shí)間的忙等，換取線程在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間切換的開銷。

6.4 重量級(jí)鎖

重量級(jí)鎖顯然，此忙等是有限度的(有個(gè)計(jì)數(shù)器記錄自旋次數(shù)，默認(rèn)允許循環(huán)10次，可以通過(guò)虛擬機(jī)參數(shù)更改)。如果鎖競(jìng)爭(zhēng)情況嚴(yán)重，某個(gè)達(dá)到最大自旋次數(shù)的線程，會(huì)將輕量級(jí)鎖升級(jí)為重量級(jí)鎖(依然是CAS修改鎖標(biāo)志位，但不修改持有鎖的線程ID)。當(dāng)后續(xù)線程嘗試獲取鎖時(shí)，發(fā)現(xiàn)被占用的鎖是重量級(jí)鎖，則直接將自己掛起(而不是忙等)，等待將來(lái)被喚醒。

重量級(jí)鎖是指當(dāng)有一個(gè)線程獲取鎖之后，其余所有等待獲取該鎖的線程都會(huì)處于阻塞狀態(tài)。

簡(jiǎn)言之，就是所有的控制權(quán)都交給了操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)來(lái)負(fù)責(zé)線程間的調(diào)度和線程的狀態(tài)變更。而這樣會(huì)出現(xiàn)頻繁地對(duì)線程運(yùn)行狀態(tài)的切換，線程的掛起和喚醒，從而消耗大量的系統(tǒng)資

五、總結(jié)

文中講述了鎖的四種狀態(tài)以及鎖是如何一步一步升級(jí)的過(guò)程，