JAVA之鎖機制實現原理(簡化版)

併發編程離不開鎖，然而每次遇到鎖問題時都會談鎖色變，下面對鎖實現做簡單化描述，方便你們容易理解！

1、緒論

在JAVA中鎖一共有四種狀態：無鎖狀態、偏向鎖狀態、輕量級鎖狀態和重量級鎖狀態(按從低到高順序，鎖着競爭狀況逐漸升級)

JAVA中鎖只能升級卻不能降級，目的是爲了提升得到鎖和釋放鎖的效率。

2、對象頭的介紹

在HopSpot虛擬機中，對象在內存存儲中分爲3部分：對象頭(Header)、實例數據(Instance Data) 和 對齊填充(Padding)。 想了解Java對象結構的詳細信息請看：java對象結構

java對象頭包含3部分信息，以下：

鎖的狀態保存在對象頭的Mark Word中，以32位JDK爲例：

3、鎖狀態的介紹

一、偏向鎖

在無多線程競爭鎖的狀況下，爲了讓同一線程得到鎖的代價更低而引入了偏向鎖。

1.一、偏向鎖的獲取過程

• (1) 訪問Mark Word中偏向鎖的標識是否設置成1，即鎖的標誌爲是否爲01——確認爲可偏向狀態。
• (2) 若是爲可偏向狀態，則測試線程ID是否指向當前線程，若是是，進入步驟(5)，不然進入步驟(3)。
• (3) 若是線程ID並未指向當前線程，則經過CAS操做競爭鎖。若是競爭成功，則將Mark Word中線程ID設置爲當前線程ID，而後執行(5)；若是競爭失敗，執行(4)。
• (4) 若是CAS獲取偏向鎖失敗，則表示有競爭。當到達全局安全點（safepoint）時得到偏向鎖的線程被掛起，偏向鎖升級爲輕量級鎖，而後被阻塞在安全點的線程繼續往下執行同步代碼。
• (5) 執行同步代碼。

CAS是一種無鎖算法，CAS有3個操做數，內存值V，舊的預期值A，要修改的新值B。當且僅當預期值A和內存值V相同時，將內存值V修改成B，不然什麼都不作。

1.二、偏向鎖的釋放

偏向鎖使用了一種等到競爭出現才釋放鎖的機制，因此當其餘線程嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的線程纔會釋放鎖。 偏向鎖的撤銷，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)，它會先暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對象是否處於被鎖定狀態，撤銷偏向鎖後恢復到未鎖定(標誌位爲「01」)或輕量級鎖(標誌位爲「00」)的狀態。

二、輕量級鎖

2.一、輕量級鎖加鎖

線程在執行同步塊以前，JVM會先在當前線程的棧幀中建立用於存儲鎖記錄的空間，並將對象頭中的Mark Word複製到鎖記錄(Lock record)中,官方成爲Displaced Mark Word。而後嘗試使用CAS算法將對象頭中的Mark Word替換爲指向鎖記錄的指針。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。

2.二、輕量級鎖解鎖

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

由於自旋會消耗CPU，爲了不無用的自旋(好比得到鎖的線程被阻塞了)，一旦鎖升級成重量級鎖，就不會再恢復到輕量級鎖狀態。其餘線程試圖獲取鎖時，會被阻塞住，當持有鎖的線程釋放以後會喚醒這些線程，被喚醒的線程就會進行新一輪的奪鎖競爭。

三、重量級鎖

在多線程併發編程中synchronized一直是元老級角色，不少人稱呼它爲「重量級鎖」。synchronized是經過對象內部的一個叫作監視器鎖(monitor)來實現的，可是監視器鎖本質又是依賴於底層操做系統的Mutex Lock來實現的，而操做系統實現線程之間的切換就須要從用戶狀態切換到核心狀態，這個成本很高，狀態之間轉換須要相對比較長的時間，這就是synchronized效率低的緣由。所以，這種依賴於操做系統Mutex Lock來實現的鎖，咱們稱之爲「重量級鎖」。

在JDK1.6後，synchronized獲得了種種優化後，在某些狀況下已經沒那麼重了。

4、鎖的優缺點對比

注：本文主要觀點來源於《java併發編程的藝術》和我的學習網上的文章的一些總結。