无锁自旋锁偏向锁轻量级锁和重量级锁

Posted 2020-12-17 pinxiong

无锁

无锁是指线程通过无限循环来执行更新操作，如果执行成功就退出循环，如果执行失败（有其他线程更新了值），则继续执行，直到成功为止。CAS操作就属于无锁。如果从性能的角度来看，无锁状态的性能是非常高的。

自旋锁

自旋锁是一种通过让线程不释放当前的CPU执行一个忙循环，来尝试获取锁的方式。自旋锁的前提假设是锁被其它线程占用的时间很短。如果其它线程占用锁的时间很长，那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源，而不会做任何有用的工作，反而带来性能上的浪费。自旋次数的默认值是10次，用户可以通过使用参数-XX:PreBlockSpin来更改。

HotSpot虚拟机对象头Mark Word

存储内容	标志位	状态
对象哈希码、对象分代年龄	01	未锁定
指向锁记录的指针	00	轻量级锁定
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄	01	可偏向
指向重量级锁的指针	10	膨胀（重量级锁定）
空，不需要记录信息	11	GC标记

偏向锁

当一个线程获取了锁，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其它的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。当有另外一个线程区尝试获取这个锁的时候，偏向模式就宣告结束。偏向锁的前提假设是当一个线程获取锁，后面还有大概率该线程还会需要继续持有这把锁。

虚拟机启用偏向锁的参数-XX:UseBiasedLocking。如果当前偏向锁已启动，当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机将会把对象头中的标志位设为01，即偏向模式。同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中，如果CAS操作成功，持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁的同步块时，虚拟机都可以不用再进行同步操作了。

轻量级锁

在代码进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定（锁标志位为01状态），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock?Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark?Word的拷贝。

然后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark?Word更新为指向Lock?Record的指针。如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark?Word的锁标志位（Mark?Word的最后2bit）将转变为00，即表示此对象处于轻量级锁定状态。轻量级锁的前提假设是对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的，通过CAS操作来避免时候互斥锁的开销。

重量级锁

当有两个及以上的线程争用同一个锁，那么轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁。锁标志的状态值变为10，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。

在讨论锁之间的转换状态时，首先需要理解以下几个问题：

• 偏向锁只有设置了-XX:UseBiasedLocking参数才会存在
• 假设启用了偏向锁，对象头的锁标志位是01（和未锁定状态一样），但是存储的内容是偏向线程ID、偏向时间戳
• 当线程获取偏向锁是通过CAS操作将对象头中存储的偏向线程ID更新为当前线程的ID
• 对象是否被锁定是指对象头是否指向线程的锁记录（Lock Record）
• 只有是轻量级锁或者重量级锁时对象才会被锁定

锁之间状态转换

结合自己的理解绘制了一个锁之间状态转化的关系图：