java基础：偏向锁、轻量锁、重量锁

java基础：偏向锁、轻量锁、重量锁

ava的锁是通过C++的CAS机制完成的。JVM隐藏了底层细节，提供synchronized关键字给工程师实现同步，其中包含了：偏向锁，轻量锁，重量锁等状态。而JDK5之后的concurrent包里面的lock,atomic,semaphore则是通过CAS来实现，比JVM的锁更加高效。下面记录下synchronized的偏向锁、轻量锁、重量锁。

1、CAS

• CAS（Compare and Swap）：比较设置。用于在硬件层面上提供原子性操作。在intel处理器中，比较并交换通过指令cmpxchg实现。比较是否和给定的数值一致，如果一致则修改，不一致则不修改。
• JVM规范规定：JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，但两者的实现细节不一样。
• 代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现，而方法同步是使用另外一种方式实现的，细节在JVM规范里并没有详细说明，但是方法的同步同样可以使用这两个指令来实现。
• monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处， JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。任何对象都有一个 monitor 与之关联，当且一个monitor 被持有后，它将处于锁定状态。
• 线程执行到 monitorenter 指令时，将会尝试获取对象所对应的 monitor 的所有权，即尝试获得对象的锁。
• java的并发同步关键字（synchronized）以及lock、aotmic，semaphore都是通过CAS机制构建的。不同在于synchronized是JVM直接隐藏了实现细节，方便工程师使用，包含了：偏向锁、轻量锁、重量锁。而最新的concurrent包是直接将cas操作交给工程师，以此实现高并发。

2、 Java的对象头

• java的对象头主要用来存放java对象在heep空间中的一些重要信息，当然也包括了对象锁信息。1、对象是数组类型，则虚拟机用3个Word（字宽）存储对象头。2、对象是非数组类型，则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中，一字宽（机器宽度）等于四字节，即32bit。

其中的Mark World字节用来存放对象的hashCode，分代年龄、所标记。

32位的Mark World的默认（无锁状态）结构如下：

• 有锁状态：
  • a、32位
    
  • b、64位

3、锁

• Synchronized通过JVM的锁机制来实现，为了减少锁的获取和释放带来的性能消耗，引入了“偏向锁”、“轻量锁”。所以在javase1.6之后有四种状态：无锁、偏向锁状态、轻量锁状态、重量锁状态。它们会随着竞争逐渐升级，但是锁不能降级。
• a、偏向锁：（无CAS机制：不需要获取moniter）
  

Hotspot的作者经过以往的研究发现大多数情况下锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。

• 流程：

  • 1、偏向锁获取：当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要花费CAS操作来加锁和解锁，而只需简单的测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁（直接先去匹配锁的线程ID是否和当前线程ID相同--直接检测结果）。
    • 如果测试成功，表示线程已经获得了锁；
    • 如果测试失败，则需要再测试下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁）。如果没有设置，则使用CAS竞争锁（轻量锁）；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。（也就是当前对象锁使用的是偏向锁，则将其修改并指向自己。如果偏向锁没有被使用，则直接使用轻量锁来获取Monitor）
  • 2、 偏向锁的撤销：偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当线程B尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程A才会释放锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行）：它会首先暂停拥有偏向锁的线程A，然后检查持有偏向锁A的线程是否活着，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态，如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。
    • （例如：线程A所有获取偏向锁，操作完了直接进行其它操作，不释放（节约性能）。线程B需要获取偏向锁，首先通过CAS发现偏向锁状态为1，说明当前对象是使用的偏向锁。然后通知JVM，JVM在全局安全点上。暂停线程A，让其释放偏向锁）
    • 关闭偏向锁：偏向锁在Java 6和Java 7里是默认启用的，但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活，如有必要可以使用JVM参数来关闭延迟-XX：BiasedLockingStartupDelay = 0。如果你确定自己应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态，可以通过JVM参数关闭偏向锁-XX:-UseBiasedLocking=false，那么默认会进入轻量级锁状态。

• b、轻量锁和重量锁（用CAS机制来获取对象的Monitor）
  

  • 1、轻量级锁加锁：线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。
    • ps：自旋相当于

public volatitle boolean flag=false;

public void getSyn(){
      while(!flag){
          flag=true;
          //dosomething
          flg=false;
      }
}

一直不断的循环，想进行操作

• 2、轻量级锁解锁：轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作来将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。
  • PS:
  • 获取： 线程A获取轻量锁，将Mark World复制到线程A的锁存储空间，修改锁状态为00，指针指向线程A的Mark World（轻量锁）。
  • 线程B想获取Monitor，但是锁状态为00。就会一直自旋，直到达到一定次数（JVM决定），将锁状态修改为01（重量锁：线程B阻塞状态）
  • 释放：线程A操作完成后，发现锁状态是00（不是重量锁：线程B阻塞状态）则。将Mark World复制回去。如果锁状态是01（线程B处于阻塞状态），则直接Mark World复制回去、将阻塞线程释放（将其踢出等待队列，回到start（）状态）。最后修改锁状态为11.
• c、锁的比较

4、综合理解synchronized的不同锁：

1、偏向锁：使用完后不需要立即释放，效率很高。且获取方式不需要复制Monitor。

2、轻量锁和重量锁：使用完需要立即释放锁，重量锁状态就是线程阻塞状态。

3、Monitor的获取（复制）和释放（复制回去）都需要很高的CPU资源。

4、追求响应速度：例如网站，需要很快的响应时间。这也是concurrent包里面的locak、aotmic、semaphore大量使用的原因。（CPU需要拿更多的时间去切换线程来不断的CAS，判断是否能获取锁）

5、吞吐量：例如科学计算，不最求响应时间，追求的是运算量。（CPU大部分时间拿去计算）

参考：

java的Monitor机制：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-synchronized/

方腾飞：聊聊并发