Java并发编程的艺术(4)锁的状态与对比

锁的升级

Java SE1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗,引入了“偏向锁”和“轻量级锁”,在Java
SE 1.6中,锁一共有4中状态,级别从低到高一次是:无所状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态,这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级,意味着偏向锁升级成轻量级锁后不饿能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的册罗,目的是为了提高获得锁和释放锁的效率

偏向锁

大多数情况下,锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一个线程多次获得,为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。
当一个线程访问同步块并获取锁时,会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID,以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁,只需要简单地测试一下对象头的Mark Word 里是否存储着指向当前线程的偏向锁。
如果测试成功,表示线程已经获得了锁。
如果测试失败,则需 要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1(表示当前是偏向锁):
如果没有设置,则 使用CAS竞争锁;
如果设置了,则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。
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偏向锁在Java6和Java7里是默认开启的,但是它在应用程序启动几秒之后才激活。如有必要可以使用JVM参数来关闭延迟-XX::BiasedLockingStartupDelay=0。

如果你确定应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态,可以通过JVM参数关闭偏向锁:-XX:- UseBiasedLocking=false,那么程序默认会进入轻量级锁状态。

轻量级锁

(1)轻量级加锁
线程在执行同步块之前,JVM会先在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间,并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中。
然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换成为指向锁记录的指针。如果成功,当前线程获得锁,如果失败,表示其他线程竞争锁,当前线程便尝试使用自旋来获取锁
(2)轻量级解锁
轻量级解锁时,会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头,如果成 功,则表示没有竞争发生。如果失败,表示当前锁存在竞争,锁就会膨胀成重量级锁
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因为自旋会消耗CPU,为了避免无用的自旋(比如获得锁的线程被阻塞了),一旦锁升级成重量级锁,就不会再恢复到轻量级锁的状态。当锁处于这个状态下,其他线程视图获取锁时,都会被阻塞住,当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程,被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争

锁的优缺点对比

优点 缺点 适用场景
偏向锁 加锁和解锁不需要额外的消耗,和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差别 如果线程间存在锁竞争,会带来额外的锁撤销的消耗 适用于只有一个线程访问同步块的场景
轻量级锁 竞争线程不会阻塞,提高程序的响应速度 如果始终得不到锁竞争的线程,使用自旋会消耗CPU 追求响应时间同步块执行速度非常快
重量级锁 线程竞争不使用自旋。不会消耗CPU 线程阻塞,会导致线程从用户态到内核台的转换,消耗资源 追求吞吐量同步块执行速度较长
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