轉 Java並發之鎖的升級
說明：本文大部分內容來自《並發編程的藝術》，再加上自己網絡整理和理解
以下內容來自《java並發編程的藝術》作者：方鵬飛 魏鵬 程曉明
在多線程並發編程中synchronized一直是元老級角色，很多人都會稱呼它為重量級鎖。但是，隨著Java SE 1.6對synchronized進行了各種優化之後，有些情況下它就並不那麽重了。
鎖的升級與對比
Java SE 1.6為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級鎖”，在Java SE 1.6中，鎖一共有4種狀態，級別從低到高依次是：無鎖狀態、偏向鎖狀態、輕量級鎖狀態和重量級鎖狀態，這幾個狀態會隨著競爭情況逐漸升級。鎖可以升級但不能降級，意味著偏向鎖升級成輕量級鎖後不能降級成偏向鎖。這種鎖升級卻不能降級的策略，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率，下文會詳細分析。
markword
因為偏向鎖，鎖住對象時，會寫入對象頭相應的標識，我們先把對象頭(官方叫法為:Mark Word)的圖示如下(借用了網友的圖片):
1.偏向鎖
HotSpot [1] 的作者經過研究發現，大多數情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一線程多次獲得，為了讓線程獲得鎖的代價更低而引入了偏向鎖。當一個線程訪問同步塊並獲取鎖時，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄裏存儲鎖偏向的線程ID，以後該線程在進入和退出同步塊時不需要進行CAS操作來加鎖和解鎖，只需簡單地測試一下對象頭的Mark Word裏是否存儲著指向當前線程的偏向鎖。如果測試成功，表示線程已經獲得了鎖。如果測試失敗，則需要再測試一下Mark Word中偏向鎖的標識是否設置成1（表示當前是偏向鎖）：如果沒有設置，則使用CAS競爭鎖；如果設置了，則嘗試使用CAS將對象頭的偏向鎖指向當前線程。
上文中黑體字部分，寫得太簡略，以致於很多初學者，對這個過程有點不明白，這個過程是怎麽實現鎖的升級、釋放的？下面一一分析
- 線程2來競爭鎖對象;
- 判斷當前對象頭是否是偏向鎖;
- 判斷擁有偏向鎖的線程1是否還存在;
- 線程1不存在,直接設置偏向鎖標識為0(線程1執行完畢後,不會主動去釋放偏向鎖);
- 使用cas替換偏向鎖線程ID為線程2,鎖不升級，仍為偏向鎖;
- 線程1仍然存在,暫停線程1；
- 設置鎖標誌位為00(變為輕量級鎖),偏向鎖為0;
- 從線程1的空閑monitor record中讀取一條,放至線程1的當前monitor record中;
- 更新mark word，將mark word指向線程1中monitor record的指針;
- 繼續執行線程1的代碼;
- 鎖升級為輕量級鎖;
- 線程2自旋來獲取鎖對象;
2、輕量級鎖
（1）輕量級鎖加鎖
線程在執行同步塊之前，JVM會先在當前線程的棧楨中創建用於存儲鎖記錄的空間，並將對象頭中的Mark Word復制到鎖記錄中，官方稱為Displaced Mark Word。然後線程嘗試使用CAS將對象頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針。如果成功，當前線程獲得鎖，如果失敗，表示其他線程競爭鎖，當前線程便嘗試使用自旋來獲取鎖。
（2）輕量級鎖解鎖
輕量級解鎖時，會使用原子的CAS操作將Displaced Mark Word替換回到對象頭，如果成功，則表示沒有競爭發生。如果失敗，表示當前鎖存在競爭，鎖就會膨脹成重量級鎖。下圖是兩個線程同時爭奪鎖，導致鎖膨脹的流程圖。 
因為自旋會消耗CPU，為了避免無用的自旋（比如獲得鎖的線程被阻塞住了），一旦鎖升級成重量級鎖，就不會再恢復到輕量級鎖狀態。當鎖處於這個狀態下，其他線程試圖獲取鎖時，都會被阻塞住，當持有鎖的線程釋放鎖之後會喚醒這些線程，被喚醒的線程就會進行新一輪的奪鎖之爭。
轉 Java並發之鎖的升級