Java的鎖升級策略

什麼是鎖？

java中，synchronized永遠都是鎖定的一個對象，那麼jvm是怎麼判斷一個對象是被鎖定的呢。

java的對象內存分佈

Java的對象由對象頭，對象體和填充空間（Padding）組成。

• 對象頭
  對象的描述信息
• 實例數據
  對象的實際內容
• 填充空間
  JVM要求對象的大小必須是8字節的整倍數，當實例數據不是8字節的整倍數時，須要填充空間來補上

Java對象頭的內容

• Mark Word
  是對象頭的核心內容，記錄了對象的鎖信息
• 類型指針
  指向對象類的元數據
• 數組長度
  若是對象是數組，那還要有數據記錄數組的長度

Mark Word的組成

下圖爲32bit的JVM虛擬機中，Mark Word的組成：

MarkWord經過標誌位來記錄對象當前的鎖信息。不一樣標示位的狀況下，Mark Word記錄的數據不同。

鎖的區別

無鎖（01）

無鎖狀態下，對象不具有排他性，此時全部線程均可以直接訪問這個對象。

偏向鎖（01）

偏向鎖實際上就是無鎖，此時標記字記錄的是當前操做這個對象的線程ID。

輕量級鎖（00）

此時對象被鎖定，標記字指向持有當前對象的線程的地址。等待的線程會進入自旋狀態，經過CAS來爭搶鎖。

重量級鎖（10）

此時對象被鎖定，標記字指向當前對象的Monitor（對象監視器）的地址。等待的線程會進入阻塞狀態。

鎖的升級過程

Java的鎖只會升級，不會降級。當鎖所有被釋放後，會回到初始狀態，等待再次被升級。

初始狀態

JDK6開始，JVM默認打開了偏向鎖，所以默認狀況下，一個對象被建立時，對象頭中是偏向鎖的信息。

• 打開偏向鎖（默認）
  
• 關閉偏向鎖
  

有一個線程使用synchronized鎖定了這個對象

此時JVM默認永遠只有這個線程使用這個對象，爲了減小性能消耗，會進入偏向鎖狀態，實際上並不會上鎖。

另外一個線程嘗試經過synchronized獲取對象的鎖

當出現了鎖爭奪時，會升級爲輕量級鎖，此時兩個線程會嘗試修改標記字本身的線程地址，修改爲功的線程獲取到鎖，修改失敗的線程進入到自旋狀態，經過CAS操做來重試修改標記字。

第二個線程自旋到了必定次數，或者出現了更多線程來爭奪鎖

此時JVM會把對象的鎖升級爲重量級鎖，標記字會指向對象的對象監視器（Monitor），全部爭奪失敗的線程進入阻塞狀態。

重量級鎖的內部實現

什麼是對象監視器

每一個對象都有一個對應的對象監視器，用來控制對象的多線程訪問。

對象監視器的內部結構

• Owner
  指向正持有對象鎖的線程
• EntryList（鎖池）
  存放競爭失敗的線程
• WaitSet（等待池）
  存放當前處於等待狀態的線程

對象監視器的流程

初始

多個線程競爭對象的鎖，爭奪成功的線程引用放入到Owner中，其餘線程放入到鎖池中

線程正常執行

執行完成後，調用monitorExit，釋放鎖。
此時從鎖池中按照先進先出原則，取出下一個線程，和新進的線程（若是有的話）來爭奪鎖。

調用了Object.wait()方法

調用wait()方法，線程進入掛起狀態，線程的引用會被放入到waitSet中，從鎖池中按照先進先出原則，取出下一個線程，和新進的線程（若是有的話）來爭奪鎖。

調用了Object.notify()方法

調用notify()方法後，從waitSet中拿到一個線程（具體拿哪一個取決於JVM的配置），當即去爭奪對象的鎖，若是失敗則進入到鎖池。

調用了Object.notifyAll()方法

調用notify()方法後，從waitSet中拿出全部線程，當即去爭奪對象的鎖，若是失敗則進入到鎖池。
除非明確知道只有一個線程出於wait狀態，不然就是用notifyAll方法，防止線程等待過久或永遠等下去。