Java中的锁升级

最新推荐文章于 2025-04-08 20:26:17 发布

既然头发留不住

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分类专栏：多线程文章标签： java 多线程

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Java中锁升级的过程

首先先看一下《Java并发编程的艺术》中的一段话，也是对整个锁升级过程的一个总结和描述。

Java SE 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，在Java SE 1.6中，锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。
——引用自《Java并发编程的艺术》

对象头

java对象头是实现synchronized的锁对象的基础，synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里的。
如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字宽（Word）存储对象头，如果对象是非数组类型，则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中，1字宽等于4字节，即32bit，如下表所示：

长度	内容	说明
32/64bit	MarkWord	存储对象的hashCode或锁信息等
32/64bit	Class Metadata Address	类型指针指向对象的类元数据，JVM通过这个指针确定该对象是哪个类的实例
32/64bit	Array length	数组的长度(如果当前对象是数组)

Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位。
32位JVM的Mark Word的默认存储结构如下表所示：

锁状态	25bit	4bit	1bit是否是偏向锁	2bit锁标志位
无所状态	对象的hashCode	对象的分代年龄	0	01

在运行期间，Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word可能变化为存储以下4种数据，如图所示：
Mark Word的状态变化

偏向锁

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偏向锁。
当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，
以后该线程再进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需要简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。
如果测试成功，表示线程已经获得了锁。
如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置为1（表示指向当前进程）：
如果没有，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前进程。
——《Java并发编程的艺术》

JVM使用CAS操作把线程ID记录到了这个Mark Word当中，修改了标识位，当前线程就拥有这把锁了
偏向锁状态下的对象头
可以看出：JVM不用和操作系统协商设置Mutex，它只记录下线程ID，就表示当前线程拥有这把锁了，不用操作系统介入。

这时线程获得了锁，可以执行synchronized修饰的代码块。
当线程再次执行到这个synchronized的时候，JVM通过锁对象的Mark Word判断：“当前线程ID还在，还持有着这个对象的锁，就可以继续进入临界区执行

这就是偏向锁，在没有别的线程竞争的时候，一直偏向当前线程，当前线程可以一直执行

轻量级锁(自旋锁)

轻量级锁是由偏向所升级来的，偏向锁运行在一个线程进入同步块的情况下，当第二个线程加入锁争用的时候，偏向锁就会升级为轻量级锁
轻量级锁的加锁过程：

在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为“01”状态，是否为偏向锁为“0”），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，官方称之为 Displaced Mark Word。
拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中；
拷贝成功后，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，并将Lock record里的owner指针指向object mark word。如果更新成功，则执行步骤4，否则执行步骤5。
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的锁标志位设置为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态。
如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行。否则说明多个线程竞争锁，轻量级锁就要膨胀为重量级锁，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。而当前线程便尝试使用自旋来获取锁，自旋就是为了不让线程阻塞，而采用循环去获取锁的过程。