Java锁升级：无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁

news2024/12/23 11:20:51

说明

JDK1.6为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，所以在JDK1.6里锁一共有四种状态，无锁状态，偏向锁状态，轻量级锁状态和重量级锁状态，它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

Java 中锁有几种状态：无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁
锁升级

注意：在 JDK 15 的版本上面，移除了偏向锁了

锁的几种状态

图片是在百度上面找的
锁的几种状态

无锁状态

程序不会有锁的竞争。第一个线程执行完之后，第二个线程再去执行。

偏向锁

偏向锁，字面理解就是说会偏向于第一个访问锁的线程

当一个线程访问一个同步代码块时，首先会尝试获取偏向锁。
如果该对象没有被其他线程锁定，并且没有发生过竞争，那么当前线程会将对象头中的标记设置为偏向锁，并将线程ID记录在对象头中。
当其他线程尝试获取该对象的锁时，会检查对象头中的标记，如果是偏向锁并且线程ID与当前线程ID相同，表示可以获取锁，无需进行同步操作。
如果其他线程尝试获取该对象的锁时，发现对象头中的标记不是偏向锁或者线程ID不匹配，表示发生了竞争，偏向锁会升级为轻量级锁。

偏向锁的优势在于减少了同步操作的开销，适用于大部分情况下只有一个线程访问同步代码块的场景。但是如果存在多个线程竞争同一个锁的情况，偏向锁会失效，需要升级为轻量级锁或重量级锁。

一个对象刚开始实例化的时候，没有任何线程来访问它的时候。它是可偏向的，意味着，它现在认为只可能有一个线程来访问它，所以当第一个线程来访问它的时候，它会偏向这个线程，此时，对象持有偏向锁。偏向第一个线程，这个线程在修改对象头成为偏向锁的时候使用CAS操作，并将对象头中的ThreadID改成自己的ID，之后再次访问这个对象时，只需要对比ID，不需要再使用CAS在进行操作。

一旦有第二个线程访问这个对象，因为偏向锁不会主动释放，所以第二个线程可以看到对象时偏向状态，这时表明在这个对象上已经存在竞争了，检查原来持有该对象锁的线程是否依然存活，如果挂了，则可以将对象变为无锁状态，然后重新偏向新的线程，如果原来的线程依然存活，则马上执行那个线程的操作栈，检查该对象的使用情况，如果仍然需要持有偏向锁，则偏向锁升级为轻量级锁，（偏向锁就是这个时候升级为轻量级锁的）。如果不存在使用了，则可以将对象回复成无锁状态，然后重新偏向。

轻量级锁

轻量级锁是在 JVM 环境上面
轻量级锁在以下情况下会升级为重量级锁：

当多个线程竞争同一个锁时，如果自旋等待超过了一定的次数，轻量级锁会升级为重量级锁。
当一个线程已经持有锁，另一个线程在自旋等待获取锁，而此时又有第三个线程试图访问该锁时，轻量级锁也会升级为重量级锁。

这种升级过程是为了处理更复杂的并发情况，确保线程安全，但也会带来一定的性能开销。因此，在设计并发系统时，需要仔细考虑锁的使用和升级策略，以平衡性能和线程安全的需求。

重量级锁

重量级锁是在操作系统环境上面。重量级锁会阻塞线程。

重量级锁是指当一个线程获取锁之后，其余所有等待获取该锁的线程都会处于阻塞状态。 它是依赖于底层操作系统的Mutex实现，也就是互斥锁。重量级锁会让锁从用户态切换到内核态，将线程的调度交给操作系统，因此性能相对较低。

在并发编程中，当锁的状态为轻量级锁时，若有另一个线程尝试获取锁但自旋一定次数后仍未成功，那么该锁就会升级为重量级锁，此时其他申请锁的线程会进入阻塞状态，导致性能下降。

总的来说，重量级锁是为了确保线程安全而采取的一种机制，但使用时应注意其带来的性能开销，并尽量通过合理的锁策略来避免不必要的阻塞和性能损失。

为什么 synchronized 重量级锁，效率低下

用户态与内核态切换
Java的线程是映射到操作系统原生线程之上的，如果要阻塞或唤醒一个线程就需要操作系统介入，需要在户态与核心态之间切换，这种切换会消耗大量的系统资源，因为用户态与内核态都有各自专用的内存空间，专用的寄存器等，用户态切换至内核态需要传递给许多变量、参数给内核，内核也需要保护好用户态在切换时的一些寄存器值、变量等，以便内核态调用结束后切换回用户态继续工作。

在Java早期版本中，synchronized属于重量级锁，效率低下，因为监视器锁（monitor）是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的，挂起线程和恢复线程都需要转入内核态去完成，阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态切换需要耗费处理器时间，如果同步代码块中内容过于简单，这种切换的时间可能比用户代码执行的时间还长”，时间成本相对较高，这也是为什么早期的synchronized效率低的原因 Java 6之后，为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，引入了轻量级锁和偏向锁。

锁的优化

JIT编译器对锁做了两方面的优化：

适应性自旋（Adaptive Spinning）

从轻量级锁获取的流程中我们知道，当线程在获取轻量级锁的过程中执行CAS操作失败时，是要通过自旋来获取重量级锁的。问题在于，自旋是需要消耗CPU的，如果一直获取不到锁的话，那该线程就一直处在自旋状态，白白浪费CPU资源。解决这个问题最简单的办法就是指定自旋的次数，例如让其循环10次，如果还没获取到锁就进入阻塞状态。但是JDK采用了更聪明的方式——适应性自旋，简单来说就是线程如果自旋成功了，则下次自旋的次数会更多，如果自旋失败了，则自旋的次数就会减少。

锁粗化（Lock Coarsening）

锁粗化的概念应该比较好理解，就是将多次连接在一起的加锁、解锁操作合并为一次，将多个连续的锁扩展成一个范围更大的锁。举个例子：

public  void lockCoarsening() {
    int i=0;
    synchronized (this){
        i=i+1;
    }
    synchronized (this){
        i=i+2;
    }
}

上面的两个同步代码块可以变成一个

public  void lockCoarsening() {
    int i=0;
    synchronized (this){
        i=i+1;
        i=i+2;
    }
}

锁消除（Lock Elimination）

锁消除即删除不必要的加锁操作的代码。比如下面的代码,下面的for循环完全可以移出来，这样可以减少加锁代码的执行过程

public  void lockElimination() {
    int i=0;
    synchronized (this){
        for(int c=0; c<1000; c++){
            System.out.println(c);
        }
        i=i+1;
    }
}