一個想休息的線程：JVM究竟是怎麼處理鎖的？怎麼不讓我阻塞呢？

我是一個線程，生活在JVM（Java虛擬機）中， 這一段日子過得有些無聊，整個世界彷佛只有這一我的，每天忙着執行代碼，想休息一下都很難。

 

我據說人類寫的代碼中有些特殊的地方，叫作臨界區，好比synchronized修飾的方法或者代碼塊，他們很是神奇，在同一時刻JVM老大隻容許一個線程進入執行。

 

實際上，老大設置了一把鎖，搶到了這把鎖就能夠執行，不然只能阻塞，等待別人釋放鎖。

 

老大說，阻塞就是不用幹活了，老老實實地等着就行。

 

居然還有這等美事！ 趕忙讓我阻塞一次吧。

 

但是老大又說：「每次設置鎖我都得和操做系統打交道，請他在內核中維護一個什麼Mutex（互斥量）的東西，他還得把大家這些線程阻塞，切換，這但是一筆巨大的費用啊，因此這些鎖仍是少用爲妙。」

 

我運氣也很差，我不知道執行了多少代碼，調用了多少函數，居然一次也沒遇到臨界區!

 

我想也許這個程序員編程時不當心，沒有考慮多線程併發的狀況； 也有多是這些程序大部分都是無狀態的，多少個線程執行都沒有問題。

 

因而我只好一直執行下去， 不知道過了多少天，我激動地發現，一個synchronized修飾的代碼塊終於出現了：

 

Account account = ...

synchronized(account){

    ...臨界區的代碼...

}

 

偏向鎖

 

我滿心指望別的線程已經進入了代碼塊，那我就能夠阻塞、休息。

 

即便沒有其餘線程進入臨界區，老大爲我申請鎖， 也得和操做系統協商什麼互斥量，從用戶態進入核心態，再從核心態返回用戶態，總要花些功夫吧。

 

但是老大根本沒有去找操做系統， 只是看了看這個account對象的所謂「對象頭」，其中有個叫作Mark Word的東西，彷佛是個什麼數據結構， 裏邊有幾個標識位，還有其餘數據。

 

 

老大隨手使用CAS操做把個人線程ID記錄到了這個Mark Word當中，修改了標識位，而後告訴我說： 能夠了，你如今擁有這把鎖了，進去執行代碼吧。

 

 

我驚奇地說：「老大你不和操做系統協商設置Mutex了？」

 

老大說：「不用了，你看如今就你一個線程進入了這個代碼塊，我只要記錄下你的線程ID，就表示你擁有這把鎖了，不用操做系統介入。」

 

我得到了鎖，開始執行被synchronized包裹的代碼塊。

 

等到我第二次執行到這個synchronized的時候，老大隻是看了一眼鎖對象account的Mark Word就說：「你的線程ID還在，還持有着這個對象的鎖，進入臨界區執行吧。」

 

我連喘口氣的機會都沒有，只好繼續執行。

 

老大說，這叫偏向鎖，在沒有別的線程競爭的時候，一直偏向我，可讓我一直執行下去。

 

我是多麼期盼來一個新的線程來和我競爭啊！

 

輕量級鎖

 

很快，機會就來了。

 

另一個線程0x3704也要進入這個代碼塊執行，可是鎖對象account 保存的是個人線程ID，他是無法進入臨界區的。

 

我心想，咱們兩個至少得有一個進入阻塞狀態，休息一下子了。

 

可是老大仍是不去操做系統協商，只是說： 我把這個偏向鎖升級一下，變成一個輕量級的鎖吧。

 

老大把鎖對象account恢復成無鎖狀態，在咱們倆的棧幀中各自分配了一個空間，叫作Lock Record， 把鎖對象account的Mark Word在咱們倆這裏各自複製了一份，叫作Displaced Mark Word， 這名字真奇怪。

 

而後把個人Lock Record的地址使用CAS放到了Mark Word當中，而且把鎖標誌位改成00， 這其實就意味着我也已經得到了這個輕量級的鎖了，能夠繼續進入臨界區執行。

 

 

0x3704沒有得到鎖，但仍是不阻塞，老大讓他自旋幾回，等待一下子。

 

等到我退出臨界區，釋放鎖的時候，須要把這個Displaced markd word 使用CAS複製回去。接下來他就能夠加鎖了。

 

咱們兩個交替着進入臨界區，執行這段代碼，相安無事，不多出現真正的競爭。

 

即便是出現了競爭，想得到鎖的線程只要自旋幾回，等待一下子，鎖就可能釋放了。

 

很明顯，若是沒有競爭或者輕度的競爭，輕量級鎖僅僅使用CAS操做和Lock record就避免了重量級互斥鎖的開銷，對JVM老大來講，確實是個好主意。

 

重量級鎖

 

輕量級鎖運行得挺好，我仍是沒有機會休息，終於有這麼一天，0x3704 正在持有鎖，在臨界區辛苦地執行代碼。 我自旋了好屢次，0x3704仍是沒釋放鎖。 這時候JVM老大說： 自旋次數太多了，太浪費CPU了，接下來升級爲重量級鎖！

 

這個重量級鎖須要操做系統的幫忙，依賴操做系統底層的Mutex Lock。

 

只見老大建立了一個monitor 對象， 把這個對象的地址更新到了Mark word當中。

 

鎖升級了！

 

 

因爲0x3704還在持有鎖運行，而我終於進入了求之不得的狀態：阻塞！  終於能夠休息一下了！

 

仔細一想，老大煞費心機地設置了偏向鎖和輕量級鎖，就是爲了不阻塞，避免操做系統的介入， 這兩種鎖無非就是針對這兩種狀況：

 

偏向鎖： 一般只有一個線程在臨界區執行

 

輕量級鎖： 能夠有多個線程交替進入臨界區，在競爭不激烈的時候，稍微自旋等待一下就能得到鎖。

 

至於重量級鎖，也是我最爲期待的鎖，那就是出現了激烈的競爭，只好讓咱們去阻塞休息了。