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  • JAVA 锁的终极状态

    其中Mark Word在默认情况下存储着对象的HashCode、分代年龄、锁标记位等以下是32位JVM的Mark Word默认存储结构

    由于对象头的信息是与对象自身定义的数据没有关系的额外存储成本,因此考虑到JVM的空间效率,Mark Word 被设计成为一个非固定的数据结构,以便存储更多有效的数据,它会根据对象本身的状态复用自己的存储空间,如32位JVM下,除了上述列出的Mark Word默认存储结构外,还有如下可能变化的结构:


    自旋锁

    • 背景:互斥同步对性能最大的影响是阻塞,挂起和恢复线程都需要转入内核态中完成;并且通常情况下,共享数据的锁定状态只持续很短的一段时间,为了这很短的一段时间进行上下文切换并不值得。
    • 原理:当一条线程需要请求一把已经被占用的锁时,并不会进入阻塞状态,而是继续持有CPU执行权等待一段时间,该过程称为『自旋』。
    • 优点:由于自旋等待锁的过程线程并不会引起上下文切换,因此比较高效;
    • 缺点:自旋等待过程线程一直占用CPU执行权但不处理任何任务,因此若该过程过长,那就会造成CPU资源的浪费。
    • 自适应自旋:自适应自旋可以根据以往自旋等待时间的经验,计算出一个较为合理的本次自旋等待时间。

    锁清除

    编译器会清除一些使用了同步,但同步块中没有涉及共享数据的锁,从而减少多余的同步。

    锁粗化

    若有一系列操作,反复地对同一把锁进行上锁和解锁操作,编译器会扩大这部分代码的同步块的边界,从而只使用一次上锁和解锁操作。

    轻量级锁

    • 本质:使用CAS取代互斥同步。
    • 背景:『轻量级锁』是相对于『重量级锁』而言的,而重量级锁就是传统的锁。
    • 轻量级锁与重量级锁的比较:
      • 重量级锁是一种悲观锁,它认为总是有多条线程要竞争锁,所以它每次处理共享数据时,不管当前系统中是否真的有线程在竞争锁,它都会使用互斥同步来保证线程的安全;
      • 而轻量级锁是一种乐观锁,它认为锁存在竞争的概率比较小,所以它不使用互斥同步,而是使用CAS操作来获得锁,这样能减少互斥同步所使用的『互斥量』带来的性能开销。
    • 实现原理:
      • 对象头称为『Mark Word』,虚拟机为了节约对象的存储空间,对象处于不同的状态下,Mark Word中存储的信息也所有不同。
      • Mark Word中有个标志位用来表示当前对象所处的状态。
      • 当线程请求锁时,若该锁对象的Mark Word中标志位为01(未锁定状态),则在该线程的栈帧中创建一块名为『锁记录』的空间,然后将锁对象的Mark Word拷贝至该空间;最后通过CAS操作将锁对象的Mark Word指向该锁记录;
      • 若CAS操作成功,则轻量级锁的上锁过程成功;
      • 若CAS操作失败,再判断当前线程是否已经持有了该轻量级锁;若已经持有,则直接进入同步块;若尚未持有,则表示该锁已经被其他线程占用,此时轻量级锁就要膨胀成重量级锁。
    • 前提:轻量级锁比重量级锁性能更高的前提是,在轻量级锁被占用的整个同步周期内,不存在其他线程的竞争。若在该过程中一旦有其他线程竞争,那么就会膨胀成重量级锁,从而除了使用互斥量以外,还额外发生了CAS操作,因此更慢!

    偏向锁

    • 作用:偏向锁是为了消除无竞争情况下的同步原语,进一步提升程序性能。
    • 与轻量级锁的区别:轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作来代替互斥量的使用,从而实现同步;而偏向锁是在无竞争的情况下完全取消同步。
    • 与轻量级锁的相同点:它们都是乐观锁,都认为同步期间不会有其他线程竞争锁。
    • 原理:当线程请求到锁对象后,将锁对象的状态标志位改为01,即偏向模式。然后使用CAS操作将线程的ID记录在锁对象的Mark Word中。以后该线程可以直接进入同步块,连CAS操作都不需要。但是,一旦有第二条线程需要竞争锁,那么偏向模式立即结束,进入轻量级锁的状态。
    • 优点:偏向锁可以提高有同步但没有竞争的程序性能。但是如果锁对象时常被多条线程竞争,那偏向锁就是多余的。
    • 偏向锁可以通过虚拟机的参数来控制它是否开启。
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