java 偏向锁 轻量级锁 重量级锁 实现原理 java重量级锁和轻量级锁

java中每个对象都可作为锁，锁有四种级别，按照量级从轻到重分为：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。每个对象一开始都是无锁的，随着线程间争夺锁，越激烈，锁的级别越高，并且锁只能升级不能降级。

1、java对象头

锁的实现机制与java对象头息息相关，锁的所有信息，都记录在java的对象头中。用2字（32位JVM中1字=32bit=4baye）存储对象头，如果是数组类型使用3字存储（还需存储数组长度）。对象头中记录了hash值、GC年龄、锁的状态、线程拥有者、类元数据的指针。

• Java对象头的结构
  - 在不同锁状态下Mark Word的结构（32位下）

2、偏向锁

在实际应用运行过程中发现，“锁总是同一个线程持有，很少发生竞争”，也就是说锁总是被第一个占用他的线程拥有，这个线程就是锁的偏向线程。那么只需要在锁第一次被拥有的时候，记录下偏向线程ID。这样偏向线程就一直持有着锁，直到竞争发生才释放锁。以后每次同步，检查锁的偏向线程ID与当前线程ID是否一致，如果一致直接进入同步，退出同步也无需每次加锁解锁都去CAS更新对象头，如果不一致意味着发生了竞争，锁已经不是总是偏向于同一个线程了，这时候需要锁膨胀为轻量级锁，才能保证线程间公平竞争锁。
每次获取锁和释放锁都会浪费资源，只有一个线程在访问同步代码块的时候，使用偏向锁是性能会提高很多。

• 1.加锁
  偏向锁加锁发生在偏向线程第一次进入同步块时，CAS原子操作尝试更新对象的Mark Word（偏向锁标志位为”1”，记录偏向线程的ID）。
• 2.撤销偏向锁
  当有另一个线程来竞争锁的时候，就不能再使用偏向锁了，要膨胀为轻量级锁。竞争线程尝试CAS更新对象头失败，会等待到全局安全点（此时不会执行任何代码）撤销偏向锁。
  撤销偏向锁的过程

3、轻量级锁

• 轻量锁与偏向锁不同的是：
  1.轻量级锁每次退出同步块都需要释放锁，而偏向锁是在竞争发生时才释放锁
  2.每次进入退出同步块都需要CAS更新对象头
  3.争夺轻量级锁失败时，自旋尝试抢占锁
  可以看到轻量锁适合在竞争情况下使用，其自旋锁可以保证响应速度快，但自旋操作会占用CPU，所以一些计算时间长的操作不适合使用轻量级锁。
• 加锁
  加锁过程和偏向锁加锁差不多，也是CAS修改对象头，只是修改的内容不同。
  1.在MarkWord中保存当前线程的指针
  2.修改锁标识位为“00”
• 采用CAS操作的原因是，不想在加锁解锁上再加同步.
  如果对象处于无锁状态（偏向锁标志位为”0”，锁标志位为”01”），会在线程的栈中开辟个锁记录空间（Lock Record），将Mark Word拷贝一份到Lock Record中，称为Displaced Mark Word，在Lock Record中保存对象头的指针（owner）。
  接下来CAS更新MarkWord，将MarkWord指向当前线程，owner指向MarkWord，如果失败了，则意味着出现了另一个线程竞争锁，此时需要锁膨胀为轻量级锁。
  CAS操作前的栈和MarkWord状态





• 解锁
  用CAS操作锁置为无锁状态（偏向锁位为”0”，锁标识位为”01”），若CAS操作失败则是出现了竞争，锁已膨胀为重量级锁了，此时需要释放锁（持有重量级锁线程的指针位为”0”，锁标识位为”10”）并唤醒重量锁的线程。
• 膨胀为重量级锁
  当竞争线程尝试占用轻量级锁失败多次之后，轻量级锁就会膨胀为重量级锁，重量级线程指针指向竞争线程，竞争线程也会阻塞，等待轻量级线程释放锁后唤醒他。
  膨胀为重量级锁

4、重量级锁

重量级锁的加锁、解锁过程和轻量级锁差不多，区别是：竞争失败后，线程阻塞，释放锁后，唤醒阻塞的线程，不使用自旋锁，不会那么消耗CPU，所以重量级锁适合用在同步块执行时间长的情况下。