简单理解重量级锁、轻量级锁、偏向锁
全文使用synchronized来说明。
synchronized给对象上锁,先上偏向锁,在上轻量级锁,最后上重量级锁。上什么锁,是gvm根据竞争程度自行变换的。
重量级锁
计算机操作系统本有Monitor对象,称为管程。在java里面看不到此对象。
每个Java对象都可以关联一个monitor对象,如果使用了synchronized给对象上重量级锁后,该对象的Mark word就被设置指向monitor对象的指针。
Monitor对象结构
- WaitSet:是线程等待队列。状态为WAITING
- EntryList:线程阻塞队列.状态为BLOCKED
- Owner:正在执行的线程(可能很多线程竞争一个资源,但只有一个线程能够成功,此时Owner就置为此线程)
原理
- 新建的对象,此时Mark Word关联一个Monitor对象(即Mark Word记录一个monitor对象的地址)。此时Monitor对象里面的Owner为null.
因为还没有线程去获得Monitor锁。
- 多个线程竞争,只有线程1成功。其他进入阻塞队列。(或者说,只要owner非空,那么其他线程就要进入阻塞队列)
当线程1执行完毕后,通知阻塞队列里的线程,引起它们的非公平性竞争。
- 若此时Owner线程调用wait方法,那么会进入WaitSet。
当被唤醒时(如调用notify())会进入EntryList重新竞争。
轻量级锁
如果一个对象虽然有多线程访问,但多线程访问的时间是错开的(或者说没有竞争)的话,可以使用轻量级锁来优化。
当有竞争时,会发生锁膨胀,变为重量级锁,
java 对象头
以32为虚拟机为例
普通对象是:
- Klass Word:是一个指针,通过他可以知道是个啥类对象
- Mark Word:
如 Normal ,即没有上锁,末尾两位是01;轻量级锁是00
下面用Hashcode age Bias 01 代替最初的Mark Word
原理
每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构,内部可以保存锁对象的Mark Word
- 当线程执行到临界区代码时,对obj上锁。让锁记录中的Object reference 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替换成功:那么Object对象就会存储锁记录状态00和地址 ,表示由该线程给对象加锁。 当Mark Word末尾是01时,才可以替换成功
cas替换失败
- case 1:其他线程已经持有了改Object的轻量级锁,表明有竞争,进入锁膨胀过程
- case 2:自己执行synchronized锁重入,再添加一条Lock Record作为重入的计数
此时进行cas操作自然会失败。
最后再讲锁膨胀。
解锁
- 当Lock Record 记录里面存在null,说明存在重进入,这时重置锁记录,表示重进入计数减一
- 锁记录不为空,这时用cas操作把锁记录里面保存的Mark Word替换给对象头
- 成功则解锁成功
- 失败说明进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁,进入重量级锁的解锁流程。
锁膨胀
在尝试加轻量级锁的过程中,CAS操作无法成功,一个原因就是有其他线程为此对象加上了轻量级锁,这时需要进行锁膨胀,将轻量级锁变为重量级锁。
如线程1持有object的锁,这时线程2也想要,但进行cas操作失败,这时候会发生:
- 为object对象申请Monitor锁,让object指向重量级锁地址(此时后两位为10,即重量级锁)
- 然后线程2进入Monitor的EntryList阻塞
当线程1执行完后,想要退出临界区,使用cas将Mark Word的值替换给对象头,但是会失败。因为object的Mark Word后两位变为10,已经不再是00了。
这时按照Monitor地址找到monitor对象,设置Owner为null,再唤醒线程2.
偏向锁
如果只有一个线程,它多次重进入,那会多次建立空的锁记录,作为锁重入的计数。
因此,java 6中引入了偏向锁来做进一步优化:只有第一次使用CAS将线程ID设置到对象的Mark Word,之后只要发现这个线程ID是自己的就表示没有发生竞争,不用重新CAS。以后只要不发生竞争,这个对象就归该线程所有。
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。
参考:https://www.bilibili.com/video/BV16J411h7Rd?from=search&seid=659615821890387531
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