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2 Java并发机制的底层实现原理(第二部分)


5 偏向锁

只有一个线程访问共享资源

5.1 偏向锁的获取

当一个线程访问同步块并获取锁时,会在对象头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

5.2 偏向锁的撤销

2 Java并发机制的底层实现原理(第二部分)_Word

2 Java并发机制的底层实现原理(第二部分)_临界区_02

6 轻量级锁

竞争访问共享资源的线程不是太多(因为太多的自旋会消耗太多资源)

6.1锁获取

线程在执行同步块之前,JVM会先在当前线程的栈桢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,官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换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

6.2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。下图是两个线程同时争夺锁,导致锁膨胀的流程图。

2 Java并发机制的底层实现原理(第二部分)_同步操作_03

7 三个锁的使用场景

首先简单说下先偏向锁、轻量级锁、重量级锁三者各自的应用场景:

  • 偏向锁:只有一个线程进入临界区;
  • 轻量级锁:多个线程交替进入临界区
  • 重量级锁:多个线程同时进入临界区。

这样也就很容易解释轻量级锁和重量级锁升级的问题

上述同步代码块中存在一个临界区,假设当前存在Thread#1和Thread#2这两个用户线程,分三种情况来讨论:

  • 情况一:只有Thread#1会进入临界区;
  • 情况二:Thread#1和Thread#2交替进入临界区;
  • 情况三:Thread#1和Thread#2同时进入临界区。

上述的情况一是偏向锁的适用场景,此时当Thread#1进入临界区时,JVM会将lockObject的对象头Mark Word的锁标志位设为“01”,同时会用CAS操作把Thread#1的线程ID记录到Mark Word中,此时进入偏向模式。所谓“偏向”,指的是这个锁会偏向于Thread#1,若接下来没有其他线程进入临界区,则Thread#1再出入临界区无需再执行任何同步操作。也就是说,若只有Thread#1会进入临界区,实际上只有Thread#1初次进入临界区时需要执行CAS操作,以后再出入临界区都不会有同步操作带来的开销。

然而情况一是一个比较理想的情况,更多时候Thread#2也会尝试进入临界区。若Thread#2尝试进入时Thread#1已退出临界区,即此时lockObject处于未锁定状态,这时说明偏向锁上发生了竞争(对应情况二),此时会撤销偏向,Mark Word中不再存放偏向线程ID,而是存放hashCode和GC分代年龄,同时锁标识位变为“01”(表示未锁定),这时Thread#2会获取lockObject的轻量级锁。因为此时Thread#1和Thread#2交替进入临界区,所以偏向锁无法满足需求,需要膨胀到轻量级锁。

再说轻量级锁什么时候会膨胀到重量级锁。若一直是Thread#1和Thread#2交替进入临界区,那么没有问题,轻量锁hold住。一旦在轻量级锁上发生竞争,即出现“Thread#1和Thread#2同时进入临界区”的情况,轻量级锁就hold不住了。 (根本原因是轻量级锁没有足够的空间存储额外状态,此时若不膨胀为重量级锁,则所有等待轻量锁的线程只能自旋,可能会损失很多CPU时间)

8 各种锁的比较

2 Java并发机制的底层实现原理(第二部分)_同步操作_04

 

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