javas的四種狀態 無鎖狀態 偏向鎖狀態 輕量級鎖狀態 重量級鎖狀態

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是在jvm層面實現同步的一種機制。 

　　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，將會獲取鎖對象對應的monitor的全部權，即嘗試得到對象的鎖。（任意對象都有一個monitor與之關聯，當且一個monitor被持有後，他處於鎖定狀態）.

　　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，這樣就會大量消耗資源，程序運行的效率低下。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。

　　爲了優化synchronized機制，從java6開始引入偏向鎖，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。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。

二：爲何要自旋或者自適應自旋？

--->前面咱們討論互斥同步的時候，提到了互斥同步對性能最大的影響是阻塞的實現，掛起線程和恢復線程的操做都須要轉入內核態中完成，這些操做給系統的併發性能 帶來了很大的壓力。同時，虛擬機的開發團隊也注意到在許多應用上，共享數據的鎖定狀態只會持續很短的一段時間，爲了這段時間去掛起和恢復線程並不值得。若是物理機器有一個以上的處理器，能讓兩個或以上的線程同時並行執行，咱們就可讓後面請求鎖的那個線程「稍等一會」，但不放棄處理器的執行時間，看看持有鎖的線程是否很快就會釋放鎖。爲了讓線程等待，咱們只須讓線程執行一個忙循環（自旋），這項技術就是所謂的自旋鎖。 

 

--->自旋鎖在JDK1.4.2中就已經引入，只不過默認是關閉的，可使用-XX:+UseSpinning參數來開啓，在JDK 1.6中就已經改成默認開啓了。自旋等待不能代替阻塞，且先不說對處理器數量的要求，自旋等待自己雖然避免了線程切換的開銷，但它是要佔用處理器時間的， 因此若是鎖被佔用的時間很短，自旋等待的效果就會很是好，反之若是鎖被佔用的時間很長，那麼自旋的線程只會白白消耗處理器資源，而不會作任何有用的工做， 反而會帶來性能的浪費。所以自旋等待的時間必需要有必定的限度，若是自旋超過了限定的次數仍然沒有成功得到鎖，就應當使用傳統的方式去掛起線程了。自旋次 數的默認值是10次，用戶可使用參數-XX:PreBlockSpin來更改。 

 

--->在JDK 1.6中引入了自適應的自旋鎖。自適應意味着自旋的時間再也不固定了，而是由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態來決定。若是在同一個鎖對象 上，自旋等待剛剛成功得到過鎖，而且持有鎖的線程正在運行中，那麼虛擬機就會認爲此次自旋也頗有可能再次成功，進而它將容許自旋等待持續相對更長的時間， 好比100個循環。另外一方面，若是對於某個鎖，自旋不多成功得到過，那在之後要獲取這個鎖時將可能省略掉自旋過程，以免浪費處理器資源。有了自適應自 旋，隨着程序運行和性能監控信息的不斷完善，虛擬機對程序鎖的情況預測就會愈來愈準確，虛擬機就會變得愈來愈「聰明」了。 

 

 

三：鎖削除

--->鎖削除是指虛擬機即時編譯器在運行時，對一些代碼上要求同步，可是被檢測到不可能存在共享數據競爭的鎖進行削除。鎖削除的主要斷定依據來源於逃逸分析的數據支持，若是判斷到一段代碼中，在堆上的全部數據都不會逃逸出去被其餘線程訪問到，那就能夠把它們看成棧上數據對待， 認爲它們是線程私有的，同步加鎖天然就無須進行。好比（只是說明概念，但實際狀況並不必定如例子）在線程安全的環境中使用stringBuffer進行字符串拼加。則會在java文件編譯的時候，進行鎖銷除。

  

四：鎖粗化

原則上，咱們在編寫代碼的時候，老是推薦將同步塊的做用範圍限制得儘可能小——只在共享數據的實際做用域中才進行同步，這樣是爲了使得須要同步的操做數量儘量變小，若是存在鎖競爭，那等待鎖的線程也能儘快地拿到鎖。大部分狀況下，上面的原則都是正確的，可是若是一系列的連續操做都對同一個對象反覆加鎖和解鎖，甚至加鎖操做是出如今循環體中的，那即便沒有線程競爭，頻繁地進行互斥同步操做也會致使沒必要要的性能損耗。若是虛擬機探測到有這樣一串零碎的操做都對同一個對象加鎖，將會把加鎖同步的範圍擴展（鎖粗化）到整個操做序列的外部。

 

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，同步塊執行速度較慢

 

任何一個java對象的頭部（monitor）包括：

 

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）

其中Mark Word存儲內容以下

 

六：鎖的狀態

--->鎖一共有四種狀態（根據重量級由低到高的次序）：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

大多數狀況下，鎖不只不存在多線程競爭，並且老是由同一線程屢次得到，爲了讓線程得到鎖的代價更低而引入了偏向鎖。當一個線程訪問同步塊並獲取鎖時，會在對象頭Mark Wod和棧幀鎖記錄裏存儲鎖偏向的線程ID，之後該線程在進入和退出同步塊時不須要進行CAS操做來加鎖和解鎖，只需簡單地測試一下對象頭的Mark Word裏是否存儲着指向當前線程的偏向鎖。

• 若是測試成功，表示線程已經得到了鎖。
• 若是測試失敗，則測試一下Mark Word中偏向鎖的標識是否設置成1（表示當前是偏向鎖）：若是沒設置，則使用CAS競爭鎖（競爭什麼？）;若是設置了，則嘗試使用CAS將對象頭的偏向鎖指向當前線程。

--->a線程得到鎖，會在a線程的的棧幀裏建立lockRecord，在lockRecord裏和鎖對象的MarkWord裏存儲線程a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，若是線程仍然活着，擁有偏向鎖的棧會被執行。若是線程不處於活動狀態，則將鎖對象的MarkWord設置成無鎖狀態。棧幀中的lockRecord和對象頭的MarkWord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（鎖升級）。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。

 

偏向鎖升級：一個對象剛開始實例化的時候，沒有任何線程來訪問它的時候。它是可偏向的，意味着，它如今認爲只可能有一個線程來訪問它，因此當第一個線程來訪問它的時候，它會偏向這個線程，此時，對象持有偏向鎖。偏向第一個線程，這個線程在修改對象頭MarkWord成爲偏向鎖的時候使用CAS操做，並將對象頭中的ThreadID改爲本身的ID，以後再次訪問這個對象時，只須要對比ID，不須要再使用CAS在進行操做。一旦有第二個線程訪問這個對象，由於偏向鎖不會主動釋放，因此第二個線程能夠看到對象時偏向狀態，這時代表在這個對象上已經存在競爭了，操做系統檢查原來持有該對象鎖的線程是否依然存活，若是掛了，則能夠將對象變爲無鎖狀態，而後從新偏向新的線程，若是原來的線程依然存活，則立刻執行那個線程的操做棧，檢查該對象的使用狀況，若是仍然須要持有偏向鎖，則偏向鎖升級爲輕量級鎖（偏向鎖就是這個時候升級爲輕量級鎖的）。若是不存在使用了，則能夠將對象回覆成無鎖狀態，而後從新偏向。

 

八：輕量級鎖

輕量級鎖加鎖:線程在執行同步塊以前，JVM會將 對象頭中的Mark Word複製到 棧幀鎖記錄中，官方稱爲Displaced Mark Word。而後線程嘗試使用CAS將對 象頭中的Mark Word替換爲指向 棧幀鎖記錄的指針。若是成功，當前線程得到鎖，若是失敗，表示其餘線程競爭鎖，當前線程便嘗試使用自旋來獲取鎖。

輕量級鎖解鎖:輕量級解鎖時，會使用原子的CAS操做將Displaced Mark Word替換回到對象頭，若是成功，則表示沒有競爭發生。若是失敗，表示當前鎖存在競爭，鎖就會膨脹成重量級鎖。

 

--->a線程得到鎖， 棧幀鎖記錄中的lock record指針指向 鎖對象的對象頭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。

 

 

輕量級鎖認爲競爭存在，可是競爭的程度很輕，通常兩個線程對於同一個鎖的操做都會錯開，或者說稍微等待一下（自旋），另外一個線程就會釋放鎖。 可是當自旋超過必定的次數，或者一個線程在持有鎖，一個在自旋，又有第三個來訪時，輕量級鎖膨脹爲重量級鎖，重量級鎖使除了擁有鎖的線程之外的線程都阻塞，防止CPU空轉。

 

九：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。