Java的锁机制 - 技术栈

一.Java对象头

Synchronized用的锁是存储在Java对象头的，所以理解Java对象头的存储结构和存储数据的类型有助于对锁的理解；

Java对象头中主要存储三类数据:

第一类叫做MarkWord，主要存储对象的hashcode,分代年龄，锁信息等运行数据;
第二类是Class Pointer，指向方法区中该class的对象，JVM通过此字段来判断当前对象是哪个类的实例;
第三类，数组的长度，就是如果当前对象是数组的话才会有。

三类中，我们这里重点关注第一类MarkWord，是我们理解锁的核心

|------|-------------|--------|------------|----------|
| 锁状态 | 25bit | 4bit | 1bit是否为偏向锁 | 2bit锁标志位 |
| 无锁状态 | 对象的hashcode | 对象分代年龄 | 0 | 01 |

程序运行期间，MarkWord存储的信息会随着锁标志位的变化而变化，可能会变化为以下四种状态之一;

锁状态	25bit	4bit	偏向锁标志（1bit）	锁标志位（2bit）
偏向锁	23位：线程ID 2位：Epoch	✔	1	01
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针			00
重量级锁	指向互斥量（重量级锁）的指针			10
GC标记	空			11

会发现无锁、偏向锁的"锁标志位"是一样的，即都是01，这是因为无锁、偏向锁是靠字段"是否是偏向锁"来区分的，0代表没有启用偏向锁，1代表启用偏向锁

二.锁的升级与对比

那么我们现在知道了，锁有四种状态，分别是:无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁。这几种锁的状态会随着并发竞争的情况逐渐升级，锁只能升级不能降级(也就是说轻量级锁不能变成偏向锁)。

2.1 偏向锁

在大多实际环境下，锁不仅不存在多线程竟争，而且总是由同一个线程多次获取，那么在同一个线程反复获取所释放锁中，其中并没有锁的竟争，那么这样看上去，多次的获取锁和释放锁带来了很多不必要的性能开销和上下文切换。所以引入了偏向锁来处理这种情况。

通过你会发现无锁、偏向锁的"锁标志位"是一样的，即都是01，这是因为无锁、偏向锁是靠字段"是否是偏向锁"来区分的，0代表没有启用偏向锁，1代表启用偏向锁，可以通过JVM参数(XX:UseBiasedLocking=true 默认)控制。并且启动偏向锁还有延迟(默认4秒)，可以通过JVM参数(XX:BiasedLockingStartupDelay=0)来关闭延迟.

**偏向锁加锁:**当一个线程A访问同步块并获取锁时，会在对象头存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的MarkWord里是否存储着指向当前线程A的偏向锁。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MarkWord中偏向锁的标识是否设置成1(表示当前是偏向锁):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。如果没有设置，则使用CAS竞争锁(即轻量级锁)

例子:当大呆需要上WC时，只有它自已要上WC，此时并没有其它的人需要上。WC，那么这时这个WC可以直接给大呆使用，并且大呆把可以标识自已身份的ID贴到门上，表示此时大呆占用了这个WC。

偏向锁撤销:还是用上面这个图来解释，此时当前的WC被大呆所占用，这时二呆来了也要使用WC。这时先等大呆解决完(执行完这次任务)，大呆和二呆就要通过CAS的方式来抢占WC。因为此时锁的状态是偏向锁的状态，二呆来了也要使用WC(这时有两个人同时要使用WC，这时就要将偏向锁升级成轻量级锁)，在升级轻量锁之前首先需要将WC上的标识大呆身份的ID撕下来(这一步叫做偏向锁的撤销)。

2.2 轻量级锁

上面锁被撤销后，升级为了轻量级锁，轻量级锁状态下两个人需要通过过自旋+CAS的方式两个人来抢锁。当其中一个线程抢锁成功后，会将LR贴到WC的门上，表示WC当前被某个线程占用，然后另一个没有抢到锁的线程就一直自旋获取锁。

自旋的意思是占用CPU来反复尝试获取锁，直到获取成功
LR是Lock Record锁记录

LR的锁记录中存储的是对象的MarkWord的备份，即拷贝进入的，而++两个线程竞争的过程就是通过CAS的方式将对象本来的MarkWord位置存储的信息替换为指向自己LR记录的指针。谁替换成功了，谁就获得了锁++ ，例如A成功了。那没有获取到锁的线程B，就再自旋一段时间(自旋的原因是因为B认为A很快就能执行完，我就在门口等一下，也就是B认为竞争没有那么激烈)。当自旋-段时间后，如果还没有获得锁，那B就只能将锁修改为重量级锁了，然后所有竞争锁的线程进入阻塞状态，等待A执行完之后唤醒。

2.3 重量级锁

重量级锁，线程加锁失败会进入阻塞状态，等待前驱获得线程的锁执行完之后唤醒。

总结:

锁类型	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距	如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗	适用于只有一个线程访问同步块的场景
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高程序的响应速度	如果始终得不到锁竞争的线程，使用自旋会消耗CPU	追求响应时间，同步块执行速度非常快
重量级锁	线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU	线程阻塞，响应时间缓慢	追求吞吐量，同步块执行速度较慢

注意，偏向锁和重量级锁并没有使用monitor