Java 多線程之：偏向鎖，輕量級鎖，重量級鎖

• 一：java多線程互斥，和java多線程引入偏向鎖和輕量級鎖的緣由？

--->synchronized的重量級別的鎖，就是在線程運行到該代碼塊的時候，讓程序的運行級別從用戶態切換到內核態，把全部的線程掛起，讓cpu經過操做系統指令，去調度多線程之間，誰執行代碼塊，誰進入阻塞狀態。這樣會頻繁出現程序運行狀態的切換，線程的掛起和喚醒，這樣就會大量消耗資源，程序運行的效率低下。爲了提升效率，jvm的開發人員，引入了偏向鎖，和輕量級鎖，儘可能讓多線程訪問公共資源的時候，不進行程序運行狀態的切換，由用戶態進入內核態，藉助操做系統進行互斥。

 

--->jvm規範中能夠看到synchronized在jvm裏實現原理，jvm基於進入和退出Monitor對象來實現方法同步和代碼塊同的。在代碼同步的開始位置織入monitorenter,在結束同步的位置（正常結束和異常結束處）織入monitorexit指令實現。線程執行到monitorenter處，講會獲取鎖對象鎖對應的monitor的全部權，即嘗試得到對象的鎖。（任意對象都又一個monitor與之關聯，當且一個monitor被持有後，他處於鎖定狀態）

 

--->java的多線程安全是基於lock機制實現的，而lock的性能每每不如人意。緣由是，monitorenter與monitorexit這兩個控制多線程同步的bytecode原語，是jvm依賴操做系統互斥（mutex）來實現的。

 

--->互斥是一種會致使線程掛起，並在較短期內又須要從新調度回原線程的，較爲消耗資源的操做。

 

--->爲了優化java的Lock機制，從java6開始引入輕量級鎖的概念。輕量級鎖本意是爲了減小多線程進入互斥的概率，並非要替代互斥。它利用了cpu原語Compare-And-Swap（cas,彙編指令CMPXCHG）,嘗試進入互斥前，進行補救。

 

 

• 五：偏向鎖，輕量級鎖，重量級鎖對比

鎖	優勢	缺點	適用場景
偏向鎖	加鎖和解鎖不須要額外的消耗，和執行非同步方法相比僅存在納秒級的差距	若是線程間存在鎖競爭，會帶來額外的鎖撤銷的消耗	適用於只有一個線程訪問同步塊場景
輕量級鎖	競爭的線程不會阻塞，提升了程序的響應速度	若是始終得不到索競爭的線程，使用自旋會消耗CPU	追求響應速度，同步塊執行速度很是快
重量級鎖	線程競爭不使用自旋，不會消耗CPU	線程阻塞，響應時間緩慢	追求吞吐量，同步塊執行速度較長

 

對象頭的存儲內容（monitor）

 

長度	內容	說明
32/64bit	Mark Word	存儲對象的hashcode或鎖信息
32/64bit	類對象的地址	存儲到對象類型數據的指針
32/64bit	Array length	數組的長度（若是當前對象是數組）

Mark Word存儲內容（monitor）的狀態變化

 

鎖狀態	25bit,4bit	1bit(是不是偏向鎖)	2bit(鎖標示位)
輕量級鎖	指向棧中鎖記錄的指針		00
重量級鎖	指向互斥量（重量級鎖）的指針		10
GC	空		11
偏向鎖	線程id,對象hashcode,對象分代年齡	1	01

 

• 六：鎖的狀態

--->鎖一共有四種狀態（由低到高的次序）：無鎖狀態，偏向鎖狀態，輕量級鎖狀態，重量級鎖狀態

--->鎖的等級只能夠升級，不能夠降級。這種鎖升級卻不能降級的策略，目的是爲了提升得到鎖和釋放鎖的效率。

 

 

• 七：偏向鎖

--->a線程得到鎖，會在a線程的的棧幀裏建立lock record(鎖記錄變量)，則在鎖對象的對象頭裏和lock record裏存儲a線程的線程id.之後該線程的進入，就不須要cas操做，只須要判斷是不是當前線程。

--->a線程獲取鎖，不會釋放鎖。直到b線程也要競爭該鎖時，a線程纔會釋放鎖。

--->偏向鎖的釋放，須要等待全局安全點（在這個時間點上沒有正在執行的字節碼），它會首先暫停擁有偏向鎖的線程，而後檢查持有偏向鎖的線程是否還活着，若是線程不處於活動狀態，則將對象頭設置成無鎖狀態。若是線程仍然活着，擁有偏向鎖的棧會被執行，遍歷偏向對象的所記錄。棧幀中的鎖記錄和對象頭的Mark Word要麼從新偏向其餘線程，要麼恢復到無鎖，或者標記對象不適合做爲偏向鎖。最後喚醒暫停的線程。

--->關閉偏向鎖，經過jvm的參數-XX:UseBiasedLocking=false,則默認會進入輕量級鎖。

 

• 八：輕量級鎖

--->a線程得到鎖，會在a線程的棧幀裏建立lock record(鎖記錄變量)，讓lock record的指針指向鎖對象的對象頭中的mark word.再讓mark word 指向lock record.這就是獲取了鎖。

--->輕量級鎖，b線程在鎖競爭時，發現鎖已經被a線程佔用，則b線程不進入內核態，讓b線程自旋，執行空循環，等待a線程釋放鎖。若是，完成自旋策略仍是發現a線程沒有釋放鎖，或者讓c線程佔用了。則b線程試圖將輕量級鎖升級爲重量級鎖。

 

 

• 九：重量級鎖

--->重量級鎖，就是讓爭搶鎖的線程從用戶態轉換成內核態。讓cpu藉助操做系統進行線程協調。