Java锁的实现

Java锁的实现

在Java SE 1.6中，锁一共有4中状态，级别从低到高依次是：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。

轻量级锁

轻量级锁是JDK 1.6之中加入的新型锁机制，它名字中的“轻量级”是相对于使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的，因此传统锁的机制就称为重量级锁。首先需要强调一点的是，轻量级锁并不是用来代替重量级锁的，它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。要理解轻量级锁，必须先介绍虚拟机的对象内存布局中的对象头。

Java对象头

如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字宽存储对象头，如果是非数组类型，则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中，1字宽等于4字节，即32bit。在64位虚拟机中，一字宽等于8字节，即64bit。

Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位。32位JVM的Mark Word的默认存储结构如下

在运行期间，Mark Word里存储的数据会随着锁标志位和偏向锁标志位的变化而变化。Mark Word可能变化为存储以下4种数据：

在64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的，其存储结构如下：

轻量级锁的加锁过程

在代码进入同步快的时候，如果此同步对象没有被锁定，（锁标志位为“01”状态），虚拟机首先将在当前线程的栈桢中建立一个锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝。

然后，虚拟将使用CAS操作尝试将对象的MarkWord更新为指向LockWord的指针，如果这个更新操作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位将转换为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态

如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈桢（栈桢中的Lock Word），如果是说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块执行了。否则说明这个锁对象已经被其他线程占用了。如果有两条或两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，此时Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也就要进入阻塞状态。

轻量级锁的解锁过程

如果对象Mark Word仍然指向当前线程的锁记录（Lock Record），就用CAS操作把对象的Mark Word用当前线程的LockRecord（加锁之前Mark Word的拷贝）进行替换，如果替换成功，整个同步过程就完成了。如果替换失败，说明有其他线程尝试获取该锁，锁就会膨胀为重量级锁

一旦锁升级为重量级锁，就不再恢复到轻量级锁状态。在重量级锁状态下，其他线程试图获取锁时，都会被阻塞，当持有锁的线程释放锁后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮的锁竞争。

轻量级锁能提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”，这是一个经验数据。如果没有竞争，轻量级锁使用CAS操作避免了使用互斥量的开销，但如果存在锁竞争，除了互斥量的开销，还额外发生了CAS操作，因此在有竞争的情况下，轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。