Java锁升级

柔情只为你懂 2023-07-22 13:24 8阅读 0赞

## Java锁 ##

### 锁概念 ###

#### 公平锁与非公平锁 ####

公平锁：线程获取锁的顺序与其申请顺序一致

非公平锁：线程获取锁的顺序并不是按照申请锁顺序，有可能后申请锁的线程先获取锁。

#### 可重入锁与不可重入锁 ####

可重入锁：线程获取锁后，可以重复进入同步代码区，不需要重复申请锁

不可重入锁：线程每次进入同步代码区时，均需要获取锁，即使已经获取过该锁。

#### 悲观锁与乐观锁 ####

悲观锁：总是持有悲观的态度，认为并发冲突一般会发生

乐观锁：总是持有乐观的态度，认为并发冲突一般不会发生

#### 锁消除与锁粗化 ####

锁消除：消除是Java虚拟机在JIT编译期间，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过锁消除，可以节省毫无意义的请求锁时间。

锁粗化：在遇到一连串地对同一锁不断进行请求和释放的操作时，把所有的锁操作整合成对锁的一次请求，从而减少对锁的请求同步次数

#### 自旋锁和自适应自旋 ####

自旋锁：线程尝试获取锁，发现被占用后，不放弃cpu执行时间，进入阻塞状态，而是进入进行循环重试，重试指定次数后，仍未获取锁，则进入阻塞过程。

自适应自旋：重试次数不固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。

### Java锁升级 ###

#### 对象内存布局 ####

Java对象在内存中存储的布局可以分为3块区域: **对象头**、**实例数据**、**对齐填充**。

对象头,分为两个部分,第一个部分存储对象自身的运行时数据，又称为`Mark Word`,32位虚拟机占32bit，64位虚拟机占64bit。如图所示，不同锁状态下，Mark Word的结构，理解下面要介绍的各种锁，和锁升级过程，都需要先充分了解`Mark Word`的结构。

第二部分是类型指针，指向类元数据指针，虚拟机通过此指针，确定该对象属于那个类的实例。

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#### 偏向锁 ####

引入偏向锁的目的是在没有多线程竞争的前提下，进一步减少线程同步的性能消耗。

*  ##### 偏向锁的获取 #####
    
    开启偏向锁模式后，锁第一次被线程获取的时候，虚拟机会把对象头中`是否为偏向锁`的标志位设位`1`,
    
    同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中。当有另外一个线程去尝试获取这个锁时， 偏向模式就宣告结束。
    
    根据锁对象目前是否处于被锁定的状态, 撤销偏向（ Revoke Bias） 后恢复到未锁定（ 标志位为“01”）或轻量级锁定（ 标志位为“00”） 的状态
 *  ##### 偏向锁的释放 #####
    
    偏向锁，并没有显式的锁释放过程，主要依靠**锁的批量再偏向（Bulk Rebias）机制**实现锁释放。
    
    该机制的主要工作原理如下：
    
     *  引入一个概念 epoch, 其本质是一个时间戳 ， 代表了偏向锁的有效性，从前文描述的对象头结构中可以看到，
        
        epoch 存储在可偏向对象的 MarkWord 中。
     *  除了对象中的 epoch, 对象所属的类 class 信息中， 也会保存一个 epoch 值，每当遇到一个全局安全点时， 如果要对 class 进行批量再偏向， 则首先对 class 中保存的 epoch 进行增加操作， 得到一个新的 epoch\_new
     *  然后扫描所有持有 class 实例的线程栈，根据线程栈的信息判断出该线程是否锁定了该对象， 仅将epoch\_new 的值赋给被锁定的对象中。
     *  退出安全点后， 当有线程需要尝试获取偏向锁时， 直接检查 class中存储的 epoch 值是否与目标对象中存储的 epoch 值相等，如果不相等， 则说明该对象的偏向锁已经无效了， 可以尝试对此对象重新进行偏向操作。

#### 轻量级锁 ####

轻量级锁是相对于重量级锁(`Synchrnoized`)而言的，本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。

*  ##### 轻量级锁的获取 #####
    
     *  线程进入同步块时，如果此同步对象没有被锁定(即锁标志位为`01`,是否为偏向锁为`0`)，虚拟机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一个`Mark Word`的copy ，ower设置为当前线程。
        
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     *  然后虚拟机使用CAS操作，尝试将`Mark World`更新为指向`Lock Record`的指针，如果更新成功，那么线程拥有了该对象的锁，并且将锁标志位置位`00`，如图所示
        
        ![format_png 2][]
     *  如果只有一个线程尝试获取轻量级锁，会进行自旋等待，一旦有**两条以及以上的线程**抢占该锁，轻量级锁会升级为重量级锁。
        
        锁标志位置为`10`,Mark Word存储的就是指向重量级锁的指针
 *  ##### 轻量级锁释放 #####
    
     *  如果对象的Mark Word仍然指向着线程的锁记录， 那就用CAS操作把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来， 如果替换成功， 整个同步过程就完成了。如果替换失败， 说明有其他线程尝试过获取该锁，轻量级锁膨胀为重量级锁,那就要在释放锁的同时， 唤醒被挂起的线程。

#### 整个锁升级过程 ####

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### 参考文章 ###

[偏向锁，轻量级锁与重量级锁的区别与膨胀][Link 1]

[Java中的偏向锁，轻量级锁， 重量级锁解析][Java_]

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[Link 1]: https://blog.csdn.net/choukekai/article/details/63688332
[Java_]: https://blog.csdn.net/lengxiao1993/article/details/81568130