深入理解Java并发编程：轻量级锁与锁膨胀机制详解

人亦已歌

深入理解Java并发编程：轻量级锁与锁膨胀机制详解

一、轻量级锁

轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以 使用轻量级锁来优化。

轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是

1. synchronized

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示例

2. static final Object obj = new Object();
3. public static void method1() {
4. synchronized (obj) {
5. // 同步块 A
6. method2();
7. }
8. }
9. public static void method2() {
10. synchronized (obj) {
11. // 同步块 B
12. }
13. }

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图解加锁过程

• 1、创建锁记录(Lock Record)对象,每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的
  1. Mark Word

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• 2、让锁记录中
  1. Object reference

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  指向锁对象，并尝试用cas替换Object的Mark Word,将Mark Word的值存入锁记录
• CAS（Compare and Swap）:JDK提供的非阻塞原子性操作，它通过硬件保证了比较——更新操作的原子性。
• 3、如果
  1. cas

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  (compare and swap)替换成功，对象头中存储了
  1. 锁记录地址和状态00

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  ，表示由该线程给对象加锁

线程中的锁信息和锁对象中的Mark Word进行了互换

• 4、如果 cas 失败，有两种情况
  • 如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程；
  • 如果是自己执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数（如下图所示）。

  - 轻量级锁示例代码中t0执行

  1. syn method1(obj)

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  ，获得锁之后继续调用
  1. syn method2(obj)

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  （多出来一个栈帧，见下图），两个加锁的
  1. obj

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  是同一个对象，因此
  1. CAS

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  失败

  - 在图中的体现：对象头

  1. lock record 地址 00

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  在调用
  1. method1(obj)

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  改变了，指向的是第一个栈帧的锁记录，因此第二个栈帧会CAS失败

  -

  1. Lock Record

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  的null记录锁重入的计数，如上为1，再调用一次++

• 5、当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一
• 6、当退出synchronized代码块(解锁时) 锁记录的值不为null,这时使用cas将Mark Word的值恢复给对象头
  • 成功，则解锁成功
  • 失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

二、锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行

1. 锁膨胀

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，将轻量级锁变为重量级锁。

示例

2. static Object obj = new Object();
3. public static void method1() {
4. synchronized (obj) {
5. // 同步块
6. }
7. }

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• 1、当Thread-1进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁
• 2、这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程
  • 即为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址；
  • 然后自己进入 Monitor 的
    1. EntryList BLOCKED

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    。
• 3、当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，失败。这时会进入
  1. 重量级解锁流程

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  • 即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象
  • 设置 Owner 为 null
  • 唤醒
    1. EntryList

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    中 BLOCKED 线程

三、自旋优化

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。

自旋定义

是指当一个线程在获取锁的时候，如果锁已经被其它线程获取，那么该线程将循环等待，然后不断的判断锁是否能够被成功获取，直到获取到锁才会退出循环。

自旋重试成功的情况

线程1 (cpu1上)	对象Mark	线程2 (cpu2上)
-	10 (重量锁)	-
访问同步块，获取monitor	10 (重量锁) 重量锁指针	-
成功（加锁）	10 (重量锁) 重量锁指针	-
执行同步块	10 (重量锁) 重量锁指针	-
执行同步块	10 (重量锁) 重量锁指针	访问同步块，获取monitor
执行同步块	10 (重量锁) 重量锁指针	自旋重试
执行完毕	10 (重量锁) 重量锁指针	自旋重试
成功（解锁）	无锁	自旋重试
-	10 (重量锁) 重量锁指针	成功（加锁）
-	10 (重量锁) 重量锁指针	执行同步块
-	...	...

*注意：自旋需要cpu资源，所以适合多核cpu*

自旋重试失败的情况

线程1 (cpu1上)	对象Mark	线程2 (cpu2上)
-	10 (重量锁)	-
访问同步块，获取monitor	10 (重量锁) 重量锁指针	-
成功（加锁）	10 (重量锁) 重量锁指针	-
执行同步块	10 (重量锁) 重量锁指针	-
执行同步块	10 (重量锁) 重量锁指针	访问同步块，获取monitor
执行同步块	10 (重量锁) 重量锁指针	自旋重试
执行同步块	10 (重量锁) 重量锁指针	自旋重试
执行同步块	10 (重量锁) 重量锁指针	自旋重试
执行同步块	10 (重量锁) 重量锁指针	阻塞
-	...	...

+ 自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。

+ 在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。

+ Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能