内部锁之一：锁介绍（偏向锁 & 轻量级锁 & 重量级锁 & 各自优缺点及场景）

一、内部锁介绍

　　上篇文章《Synchronized之二：synchronized的实现原理》中向大家介绍了Synchronized原理及优化锁。现在我们应该知道，Synchronized是通过对象内部的一个叫做监视器锁（monitor）来实现的。但是监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的。而操作系统实现线程之间的切换这就需要从用户态转换到核心态，这个成本非常高，状态之间的转换需要相对比较长的时间，这就是为什么Synchronized效率低的原因。因此，这种依赖于操作系统Mutex Lock所实现的锁我们称之为“重量级锁”。JDK中对Synchronized做的种种优化，其核心都是为了减少这种重量级锁的使用。JDK1.6以后，为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，提高性能，引入了“轻量级锁”和“偏向锁”。

二、内部锁优化

jdk1.6对锁的实现引入了大量的优化，如自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等技术来减少锁操作的开销。 

自旋锁

线程的阻塞和唤醒需要CPU从用户态转为核心态，频繁的阻塞和唤醒对CPU来说是一件负担很重的工作，势必会给系统的并发性能带来很大的压力。同时我们发现在许多应用上面，对象锁的锁状态只会持续很短一段时间，为了这一段很短的时间频繁地阻塞和唤醒线程是非常不值得的。所以引入自旋锁。 
何谓自旋锁？ 
所谓自旋锁，就是让该线程等待一段时间，不会被立即挂起，看持有锁的线程是否会很快释放锁。怎么等待呢？执行一段无意义的循环即可（自旋）。 
自旋等待不能替代阻塞，先不说对处理器数量的要求（多核，貌似现在没有单核的处理器了），虽然它可以避免线程切换带来的开销，但是它占用了处理器的时间。如果持有锁的线程很快就释放了锁，那么自旋的效率就非常好，反之，自旋的线程就会白白消耗掉处理的资源，它不会做任何有意义的工作，典型的占着茅坑不拉屎，这样反而会带来性能上的浪费。所以说，自旋等待的时间（自旋的次数）必须要有一个限度，如果自旋超过了定义的时间仍然没有获取到锁，则应该被挂起。 
自旋锁在JDK 1.4.2中引入，默认关闭，但是可以使用-XX:+UseSpinning开开启，在JDK1.6中默认开启。同时自旋的默认次数为10次，可以通过参数-XX:PreBlockSpin来调整； 
如果通过参数-XX:preBlockSpin来调整自旋锁的自旋次数，会带来诸多不便。假如我将参数调整为10，但是系统很多线程都是等你刚刚退出的时候就释放了锁（假如你多自旋一两次就可以获取锁），你是不是很尴尬。于是JDK1.6引入自适应的自旋锁，让虚拟机会变得越来越聪明。

适应自旋锁

JDK 1.6引入了更加聪明的自旋锁，即自适应自旋锁。所谓自适应就意味着自旋的次数不再是固定的，它是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。它怎么做呢？线程如果自旋成功了，那么下次自旋的次数会更加多，因为虚拟机认为既然上次成功了，那么此次自旋也很有可能会再次成功，那么它就会允许自旋等待持续的次数更多。反之，如果对于某个锁，很少有自旋能够成功的，那么在以后要或者这个锁的时候自旋的次数会减少甚至省略掉自旋过程，以免浪费处理器资源。 
有了自适应自旋锁，随着程序运行和性能监控信息的不断完善，虚拟机对程序锁的状况预测会越来越准确，虚拟机会变得越来越聪明。

锁消除

为了保证数据的完整性，我们在进行操作时需要对这部分操作进行同步控制，但是在有些情况下，JVM检测到不可能存在共享数据竞争，这是JVM会对这些同步锁进行锁消除。锁消除的依据是逃逸分析的数据支持。 
如果不存在竞争，为什么还需要加锁呢？所以锁消除可以节省毫无意义的请求锁的时间。变量是否逃逸，对于虚拟机来说需要使用数据流分析来确定，但是对于我们程序员来说这还不清楚么？我们会在明明知道不存在数据竞争的代码块前加上同步吗？但是有时候程序并不是我们所想的那样？我们虽然没有显示使用锁，但是我们在使用一些JDK的内置API时，如StringBuffer、Vector、HashTable等，这个时候会存在隐形的加锁操作。比如StringBuffer的append()方法，Vector的add()方法：

    public void vectorTest(){
        Vector<String> vector = new Vector<String>();
        for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){
            vector.add(i + "");
        }

        System.out.println(vector);
    }

在运行这段代码时，JVM可以明显检测到变量vector没有逃逸出方法vectorTest()之外，所以JVM可以大胆地将vector内部的加锁操作消除。

锁粗化

我们知道在使用同步锁的时候，需要让同步块的作用范围尽可能小—仅在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样做的目的是为了使需要同步的操作数量尽可能缩小，如果存在锁竞争，那么等待锁的线程也能尽快拿到锁。 
在大多数的情况下，上述观点是正确的，LZ也一直坚持着这个观点。但是如果一系列的连续加锁解锁操作，可能会导致不必要的性能损耗，所以引入锁粗话的概念。 
锁粗话概念比较好理解，就是将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起，扩展成一个范围更大的锁。如上面实例：vector每次add的时候都需要加锁操作，JVM检测到对同一个对象（vector）连续加锁、解锁操作，会合并一个更大范围的加锁、解锁操作，即加锁解锁操作会移到for循环之外。

轻量级锁

引入轻量级锁的主要目的是在多没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。当关闭偏向锁功能或者多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁，则会尝试获取轻量级锁，其步骤如下： 
获取锁 
1. 判断当前对象是否处于无锁状态（hashcode、0、01），若是，则JVM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（官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced Mark Word）；否则执行步骤（3）； 
2. JVM利用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指正，如果成功表示竞争到锁，则将锁标志位变成00（表示此对象处于轻量级锁状态），执行同步操作；如果失败则执行步骤（3）； 
3. 判断当前对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是则表示当前线程已经持有当前对象的锁，则直接执行同步代码块；否则只能说明该锁对象已经被其他线程抢占了，这时轻量级锁需要膨胀为重量级锁，锁标志位变成10，后面等待的线程将会进入阻塞状态；

释放锁 

轻量级锁的释放也是通过CAS操作来进行的，主要步骤如下： 
1. 取出在获取轻量级锁保存在Displaced Mark Word中的数据； 
2. 用CAS操作将取出的数据替换当前对象的Mark Word中，如果成功，则说明释放锁成功，否则执行（3）； 
3. 如果CAS操作替换失败，说明有其他线程尝试获取该锁，则需要在释放锁的同时需要唤醒被挂起的线程。

对于轻量级锁，其性能提升的依据是“对于绝大部分的锁，在整个生命周期内都是不会存在竞争的”，如果打破这个依据则除了互斥的开销外，还有额外的CAS操作，因此在有多线程竞争的情况下，轻量级锁比重量级锁更慢；

三、内部锁的四种状态

锁主要存在四种状态，依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态，他们会随着竞争的激烈而逐渐升级。注意锁可以升级不可降级，这种策略是为了提高获得锁和释放锁的效率。随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁（但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级）。JDK 1.6中默认是开启偏向锁和轻量级锁的，我们也可以通过-XX:-UseBiasedLocking来禁用偏向锁。锁的状态保存在对象的头文件中，以32位的JDK为例：

锁状态	25 bit			4bit	1bit	2bit
	23bit		2bit		是否是偏向锁	锁标志位
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
偏向锁	线程ID	Epoch		对象分代年龄	1	01
无锁	对象的hashCode			对象分代年龄	0	01

java对象的对象头中的状态位和锁状态对应的逻辑图如下：

3.1、Java 偏向锁

Java偏向锁(Biased Locking)是Java6引入的一项多线程优化。它通过消除资源无竞争情况下的同步原语，进一步提高了程序的运行性能。
偏向锁，顾名思义，它会偏向于第一个访问锁的线程，如果在接下来的运行过程中，该锁没有被其他的线程访问，则持有偏向锁的线程将永远不需要触发同步。
如果在运行过程中，遇到了其他线程抢占锁，则持有偏向锁的线程会被挂起，JVM会尝试消除它身上的偏向锁，将锁恢复到标准的轻量级锁。(偏向锁只能在单线程下起作用)
因此 流程是这样的 偏向锁->轻量级锁->重量级锁

锁存在Java对象头里。如果对象是数组类型，则虚拟机用3个Word（字宽）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，一字宽等于四字节，即32bit。
机制：每个锁都关联一个请求计数器和一个占有他的线程，当请求计数器为0时，这个锁可以被认为是unhled的，当一个线程请求一个unheld的锁时，JVM记录锁的拥有者，并把锁的请求计数加1，如果同一个线程再次请求这个锁时，请求计数器就会增加，当该线程退出syncronized块时，计数器减1，当计数器为0时，锁被释放（这就保证了锁是可重入的，不会发生死锁的情况）。

偏向锁，简单的讲，就是在锁对象的对象头中有个ThreaddId字段，这个字段如果是空的，第一次获取锁的时候，就将自身的ThreadId写入到锁的ThreadId字段内，将锁头内的是否偏向锁的状态位置1.这样下次获取锁的时候，直接检查ThreadId是否和自身线程Id一致，如果一致，则认为当前线程已经获取了锁，因此不需再次获取锁，略过了轻量级锁和重量级锁的加锁阶段。提高了效率。
但是偏向锁也有一个问题，就是当锁有竞争关系的时候，需要解除偏向锁，使锁进入竞争的状态。
具体图片如下：

偏向锁的抢占，其实就是两个进程对锁的抢占，在synchrnized锁下表现为轻量锁方式进行抢占。

获取锁
1. 检测Mark Word是否为可偏向状态，即是否为偏向锁1，锁标识位为01；
1. 若为可偏向状态，则测试线程ID是否为当前线程ID，如果是，则执行步骤（5），否则执行步骤（3）；
1. 如果线程ID不为当前线程ID，则通过CAS操作竞争锁，竞争成功，则将Mark Word的线程ID替换为当前线程ID，否则执行线程（4）；
4. 通过CAS竞争锁失败，证明当前存在多线程竞争情况，当到达全局安全点，获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码块；
5. 执行同步代码块

释放锁
偏向锁的释放采用了一种只有竞争才会释放锁的机制，线程是不会主动去释放偏向锁，需要等待其他线程来竞争。偏向锁的撤销需要等待全局安全点（这个时间点是上没有正在执行的代码）。其步骤如下：
1. 暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象石是否还处于被锁定状态；
2. 撤销偏向苏，恢复到无锁状态（01）或者轻量级锁的状态；

3.2、轻量级锁

“轻量级”是相对于使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的。但是，首先需要强调一点的是，轻量级锁并不是用来代替重量级锁的，它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用产生的性能消耗。在解释轻量级锁的执行过程之前，先明白一点，轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的情况，如果存在同一时间访问同一锁的情况，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

1、轻量级锁的加锁过程

　　（1）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。这时候线程堆栈与对象头的状态如图2.1所示。

　　（2）拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中。

　　（3）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（3），否则执行步骤（4）。

　　（4）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，这时候线程堆栈与对象头的状态如图2.2所示。

　　（5）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。

2、轻量级锁的解锁过程：

　　（1）通过CAS操作尝试把线程中复制的Displaced Mark Word对象替换当前的Mark Word。

　　（2）如果替换成功，整个同步过程就完成了。

　　（3）如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁（此时锁已膨胀），那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

3.3、重量级锁

重量锁在JVM中又叫对象监视器（Monitor），它很像C中的Mutex，除了具备Mutex(0|1)互斥的功能，它还负责实现了Semaphore(信号量)的功能，也就是说它至少包含一个竞争锁的队列，和一个信号阻塞队列（wait队列），前者负责做互斥，后一个用于做线程同步。

四、总结 

　　本文重点介绍了JDk中采用轻量级锁和偏向锁等对Synchronized的优化，但是这两种锁也不是完全没缺点的，比如竞争比较激烈的时候，不但无法提升效率，反而会降低效率，因为多了一个锁升级的过程，这个时候就需要通过-XX:-UseBiasedLocking来禁用偏向锁。下面是这几种锁的对比：

锁	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场景。
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度。	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。 同步块执行速度较长。

示例：

　

偏向锁是JDK1.6提出来的一种锁优化的机制。其核心的思想是，如果程序没有竞争，则取消之前已经取得锁的线程同步操作。也就是说，若某一锁被线程获取后，便进入偏向模式，当线程再次请求这个锁时，就无需再进行相关的同步操作了，从而节约了操作时间，如果在此之间有其他的线程进行了锁请求，则锁退出偏向模式。在JVM中使用-XX:+UseBiasedLocking

package jvmProject;

import java.util.List;
import java.util.Vector;

public class Biased {

    public static List<Integer> numberList = new Vector<Integer>();
    public static void main(String[] args) {
        long begin = System.currentTimeMillis();
        int count = 0;
        int startnum = 0;
        while(count<10000000){
            numberList.add(startnum);
            startnum+=2;
            count++;        
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(end-begin);
    }
}

初始化一个Vector，往里面添加10000000个Integer对象，然后输出时间差。以此来测试偏向锁的性能。至于为什么要使用Vector而不使用ArrayList呢？

因为ArrayList是线程不安全的，Vector是线程安全的。这样说可能还不够具体，可以翻看一下源码吧。

Vector中的几乎所有操作是带有sychronized的，而ArrayList是没有的，所以Vector是线程安全的。

接下来我们来测试一下，开启偏向锁和不开启偏向锁对程序性能的影响有多大。

配置JVM启动（开启偏向锁）参数为：

配置JVM启动（关闭偏向锁）参数为：

Perfect！开启偏向锁的程序运行时间明显较短，开启偏向锁比不开启偏向锁，在单个线程中操作一个对象的同步方法，是有一定的优势的。其实也可以这样理解，当只有一个线程操作带有同步方法的Vector对象的时候，此时对Vector的操作就转变成了对ArrayList的操作。

偏向锁在锁竞争激烈的场合没有太强的优化效果，因为大量的竞争会导致持有锁的线程不停地切换，锁也很难保持在偏向模式，此时，使用偏向锁不仅得不到性能的优化，反而有可能降低系统的性能，因此，在激烈竞争的场合，可以尝试使用

-XX:-UseBiastedLocking参数禁用偏向锁。