Java鎖詳解

鎖的狀態總共有四種：無鎖狀態、偏向鎖狀態、輕量級鎖狀態和重量級鎖狀態。這幾個狀態會隨著競爭情況逐漸升級。為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率，鎖可以升級但不能降級。

偏向鎖

為了在無多執行緒競爭的情況下減少執行緒獲得鎖的代價，引入了偏向鎖的概念。

偏向鎖只需要在切換執行緒ID的時候進行CAS操作，之後該執行緒在進入和退出同步塊的時候不再需要進行CAS操作來加鎖與解鎖。因此偏向鎖可以提高單一執行緒多次操作同步塊的效能。

當執行緒B要使用一個同步物件的時候，會查詢物件頭裡的Mark Word的鎖狀態是否為可偏向狀態。如果是，測試執行緒ID是否指向本執行緒。

• 如果是，則表示執行緒B已經獲得鎖了，執行同步程式碼即可。
• 如果不是，則通過CAS操作來競爭偏向鎖（首先會暫停擁有偏向鎖的執行緒A，檢查持有偏向鎖的執行緒A是否活著，如果執行緒A不處於活動狀態，則競爭成功；如果執行緒A仍然存活，則表明存在競爭關係，競爭失敗。）
  • 如果競爭成功，則將Mark Word設定為無鎖狀態，然後將Mark Word重新設定偏向鎖，Thread ID指向執行緒B；
  • 如果競爭失敗，則表明有競爭關係。當到達全域性安全點的時候，獲得偏向鎖的程式A會被掛起，偏向鎖會升級為輕量級鎖，然後被掛起的程式A會繼續向下執行，程式B通過自旋競爭鎖。

偏向鎖只有當有其他執行緒競爭鎖的時候才會釋放，偏向鎖的撤銷會在全域性安全點的時候進行。

輕量級鎖

執行緒執行同步塊之前，會在當前執行緒的棧幀中建立用於儲存鎖記錄的空間，並將物件頭的Mark Word複製到鎖記錄中，官方稱為Displaced Mark Word。執行緒通過CAS嘗試將物件頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指標。如果成功，執行緒獲得鎖；如果失敗，表示有其他執行緒競爭鎖了，當前執行緒會嘗試使用自旋來獲得鎖。

如果自旋失敗，輕量級鎖會膨脹為重量級鎖。

輕量級解鎖時，會使用CAS操作將Displaced替換回到物件頭。如果成功則表示沒有競爭關係，如果失敗(失敗的原因是Mark Word的鎖標誌位被修改導致CAS失敗)，表示當前鎖存在競爭關係，且鎖已經被升級為重量級鎖。

重量級鎖

重量級鎖下，當執行緒試圖獲取鎖的時候，執行緒會被阻塞，當持有鎖的執行緒釋放鎖之後會喚醒這些執行緒，被喚醒的執行緒之間會進行鎖的爭奪。

鎖狀態之間的轉換概括

如果多個執行緒不存在競爭同步塊的問題，則物件會保持偏向鎖的狀態。當出現兩個執行緒同時競爭同步塊的時候，鎖會升級為輕量級鎖，後來的執行緒會通過自旋等待擁有鎖的程式執行完同步程式碼。如果成功則將Mark Word替換成指向棧中鎖記錄的指標。如果失敗多次則表示有其他執行緒競爭鎖，則膨脹為重量級鎖。

CAS操作

CAS非常重要，理解了CAS的概念才能知道上面的操作成功失敗的真正意義。

CAS原理：CAS有三個運算元，即記憶體值v,舊的運算元a,新的運算元b。當我們需要更新v對應的記憶體地址中的值為b時，首先判斷記憶體中的值是否和我們之前的所見值a相同，若相同則將v對應的記憶體地址儲存的值修改為b，若不同，則什麼都不做。

也可以理解舊運算元為期望值，當期望值與對應記憶體中的值相同時，視為滿足期望。此時才將b值寫入記憶體值v對應的記憶體。

鎖的優缺點對比

鎖	優點	缺點	適用場景
偏向鎖	加鎖和解鎖不需要額外的消耗，和執行非同步方法比僅存在納秒級的差距。	如果執行緒間存在鎖競爭，會帶來額外的鎖撤銷的消耗。	適用於只有一個執行緒訪問同步塊場景
輕量級鎖	競爭的執行緒不會阻塞，提高了程式的響應速度。	如果始終得不到鎖競爭的執行緒使用自旋會消耗CPU。	追求響應時間。同步塊執行速度非常快。
重量級鎖	執行緒競爭不使用自旋，不會消耗CPU。	執行緒阻塞，響應時間緩慢。	追求吞吐量。同步塊執行速度較長。