Java鎖的升級策略 偏向鎖 輕量級鎖 重量級鎖

這三種鎖是指鎖的狀態，並且是專門針對Synchronized關鍵字。JDK 1.6 為了減少"重量級鎖"的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級鎖”，鎖一共擁有4種狀態：無鎖狀態、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。鎖狀態是通過對象頭的Mark Word來進行標記的：

鎖可以升級但不能降級，意味着偏向鎖升級成輕量級鎖后不能降級成偏向鎖，這種鎖升級卻不能降級的策略，是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率

1. 重量級鎖：依賴於底層操作系統的Mutex Lock，線程會被阻塞住
   • 缺點：加鎖和解鎖需要從用戶態切換到內核態，性能消耗較大
2. 輕量級鎖：基於重量級鎖進行了優化(避免上下文切換，提高了性能)，它假設多線程競爭是互相錯開的，不會發生線程阻塞，呢么上下文切換就是多余的
   • 第一個特點：采用了CAS操作加鎖和解鎖，由於輕量級鎖的鎖記錄(Lock Record)是存放在對象頭和線程空間里的，因此加鎖和解鎖不需要上下文切換，性能消耗較小
   • 第二個特點：一旦發生多線程競爭，首先基於“自旋鎖”思想，自旋CPU循環等待一段時間，不會發生上下文切換，如果還是無法獲得鎖，就將鎖升級為重量級鎖
3. 偏向鎖：基於輕量級鎖進行了優化(減少多次的加鎖和解鎖，提高了性能)，它假設整個過程只有一個線程獲得鎖，呢么多次的加鎖和解鎖就是多余的
   • 特點：在第一次獲得鎖之后不會釋放鎖，它會一直持有鎖，后續進入鎖時只需檢查一下鎖狀態和偏向線程ID是否為自己，從而省去了多次的加鎖和解鎖

1.偏向鎖

獲取鎖：

1. 檢測對象頭的Mark Word是否為可偏向狀態(即是否為偏向鎖1，鎖標志位是否為01)，如果不是，嘗試競爭鎖：嘗試CAS操作將Mark Word的線程ID設置為當前線程ID，以表示線程獲得鎖，如果失敗說明鎖已被占用
2. 若為可偏向狀態，則檢查線程ID是否為當前線程ID，如果是則表示當前線程已經持有鎖(鎖的可重入)，否則說明鎖已被占用
3. 如果鎖已被占用，只能撤銷偏向鎖為無鎖狀態或輕量級鎖

釋放鎖：（偏向鎖使用了一種等到競爭出現才釋放鎖的機制，線程是不會主動釋放偏向鎖的，只有當其他線程競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的線程才會釋放鎖。這樣做的好處是大大減少了加鎖和解鎖的次數，提升性能）

1. 偏向鎖的撤銷需要等待全局安全點(在這個時間點沒有正在執行的字節碼)，暫停擁有偏向鎖的線程，檢查持有偏向鎖的線程是否還活着
2. 如果線程掛了，則將對象頭設置成無鎖狀態；如果線程仍然活着，則將對象頭設置為輕量級鎖(鎖的升級)，最終輕量級鎖一定會被釋放

2.輕量級鎖

獲取鎖：

1. 檢測對象頭的Mark Word是否為輕量級鎖(鎖標志位為00)，如果不是，嘗試競爭鎖：JVM首先在當前線程的棧幀中建立一個鎖記錄(Lock Record)，用於備份存儲對象頭的Mark Word(官方把這份拷貝加了一個Displaced前綴，稱為Displaced Mark Word)，然后JVM嘗試CAS操作將Mark Word更新為指向Lock Record的指針，以表示線程獲得鎖，如果失敗說明鎖已被占用
2. 若為輕量級鎖，判斷對象頭的Mark Word是否指向當前線程的棧幀的Lock Record，如果是則表示當前線程已經持有鎖(鎖的可重入)，否則說明鎖已被占用
3. 如果鎖已被占用，當前線程便嘗試自旋CPU來獲取鎖，自旋一定次數后輕量級鎖會膨脹為重量級鎖(鎖標志位變成10)，線程進入阻塞

釋放鎖：

1. 嘗試CAS操作將Displaced Mark Word中替換回對象頭，如果成功，說明輕量級鎖釋放成功
2. 如果CAS操作失敗，說明存在鎖競爭，鎖已經膨脹成重量級鎖，需要在釋放鎖的同時喚醒那些被掛起的線程

3.重量級鎖

重量級鎖依賴於底層操作系統的Mutex Lock，所有線程都會被阻塞住，線程之間的切換需要從用戶態到內核態，切換成本非常高。

總結：鎖的優缺點對比

鎖	優點	缺點	適用場景
偏向鎖(Biased Lock)	加鎖和解鎖不需要額外的消耗，和執行非同步方法相比僅存在納秒級的差距	如果線程間存在鎖競爭，會帶來額外的鎖撤銷	適用於只有一個線程訪問
輕量級鎖(Lightweight Lock)	競爭的線程不會阻塞，提高了程序的響應速度	對於得不到鎖的線程，自旋會消耗CPU	追求響應時間，或者要求臨界區簡短，自旋不會占用CPU過久
重量級鎖(Heavyweight Lock)	線程競爭不使用自旋，不會消耗CPU資源	線程阻塞，響應時間緩慢	追求吞吐量