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。

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。如 果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JDK 1.4.2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（第11章已經講解過逃逸分析技術），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。 

--->也許讀者會有疑問，變量是否逃逸，對於虛擬機來講須要使用數據流分析來肯定，可是程序員本身應該是很清楚的，怎麼會在明知道不存在數據爭用的 狀況下要求同步呢？答案是有許多同步措施並非程序員本身加入的，同步的代碼在Java程序中的廣泛程度也許超過了大部分讀者的想象。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。

--->鎖記錄（lockrecord）和對象頭（mark word）的進行指針交換的示意圖

 

十：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。