轻量级锁的原理与实战

文章目录

1. 轻量级锁的核心原理
2. 代码演示
3. 轻量级锁的分类
4. 轻量级锁的膨胀

1. 轻量级锁的核心原理

轻量级锁的执行过程：在抢锁线程进入临界区之前，如果内置锁（临界区的同步对象）没有被锁定，JVM首先将在抢锁线程的栈帧中建立一个锁记录（LockRecord），用于存储对象目前Mark Word的拷贝,然后抢锁线程将使用CAS自旋操作，尝试将内置锁对象头的Mark Word的ptr_to_lock_record（锁记录指针）更新为抢锁线程栈帧中锁记录的地址

如果抢锁成功，线程就拥有了这个对象锁。然后JVM将Mark Word中的lock标记位改为00（轻量级锁标志），即表示该对象处于轻量级锁状态。JVM会将Mark Word中原来的锁对象信息（如哈希码等）保存在抢锁线程锁记录的Displaced Mark Word（可以理解为放错地方的Mark Word）字段中，再将抢锁线程中锁记录的owner指针指向锁对象

为什么复制对象头的部分信息到线程堆栈中的锁记录的Displaced Mark Word字段？
因为内置锁对象的Mark Word的结构会有所变化，Mark Word将会出现一个指向锁记录的指针，而不再存着无锁状态下的锁对象哈希码等信息，所以必须将这些信息暂存起来，供后面在锁释放时使用。

2. 代码演示

package innerlock;import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.vm.VM;public class InnerLockTest {int a=1;double b=1.1;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {System.out.println(VM.current().details());Object obj=new Object();new Thread(()->{synchronized (obj) {System.out.println("t1:"+ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());}try {Thread.sleep(4000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}},"t1").start();Thread.sleep(1000);//保证t1已经离开临界区new Thread(()->{synchronized (obj) {System.out.println("t2:"+ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());}},"t2").start();}
}

上面的代码创建了两个线程，第一个线程t1获取到锁时无线程争夺资源，因此是偏向锁；当第二个线程去争夺t1持有的锁对象时，变成轻量级锁

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。（比如上面代码，先是线程1进行加锁变成偏向锁，然后是线程2来抢占，此时线程1已经离开临界区）

3. 轻量级锁的分类

1. 普通自旋锁
当有线程来竞争锁时，抢锁线程会在原地循环等待，而不是被阻塞，直到那个占有锁的线程释放锁之后，这个抢锁线程才可以获得锁。
自旋会消耗CPU，因此不可能无休止地进行自旋，默认情况下，自旋的次数为10次，用户可以通过-XX:PreBlockSpin选项来进行更改。

2. 自适应自旋锁

等待线程空循环的自旋次数并非是固定的，而是会动态地根据实际情况来改变自旋等待的次数

如果抢锁线程在同一个锁对象上之前成功获得过锁，JVM就会认为这次自旋很有可能再次成功，因此允许自旋等待持续相对更长的时间
如果对于某个锁，抢锁线程很少成功获得过，那么JVM将可能减少自旋时间甚至省略自旋过程，以避免浪费处理器资源

4. 轻量级锁的膨胀

轻量级锁的优点：在多线程竞争不激烈的情况下，通过CAS机制竞争锁减少重量级锁产生的性能损耗。重量级锁使用了操作系统底层的互斥锁（MutexLock），会导致线程在用户态和核心态之间频繁切换，从而带来较大的性能损耗
轻量级锁的缺点：临界区代码执行耗时较长，在其执行期间，其他线程都在原地自旋等待，会空消耗CPU。因此，如果竞争这个同步锁的线程很多，就会有多个线程在原地等待继续空循环消耗CPU（空自旋），这会带来很大的性能损耗

在争用激烈的场景下，轻量级锁会膨胀为基于操作系统内核互斥锁实现的重量级锁

参考：《Java高并发编程卷2》尼恩