Java面試--偏向鎖、自旋鎖、輕量級鎖、重量級鎖
阿新 • • 發佈：2019-01-23
它有多個佇列，當多個執行緒一起訪問某個物件監視器的時候，物件監視器會將這些執行緒儲存在不同的容器中。
1、Contention List：競爭佇列，所有請求鎖的執行緒首先被放在這個競爭佇列中；
2、Entry List：Contention List中那些有資格成為候選資源的執行緒被移動到Entry List中；
3、Wait Set：那些呼叫wait方法被阻塞的執行緒被放置在這裡；
4、OnDeck：任意時刻，最多隻有一個執行緒正在競爭鎖資源，該執行緒被成為OnDeck；
5、Owner：當前已經獲取到所資源的執行緒被稱為Owner；
6、!Owner：當前釋放鎖的執行緒。
具體分析：
JVM每次從佇列的尾部取出一個數據用於鎖競爭候選者（OnDeck），但是併發情況下，ContentionList會被大量的併發執行緒進行CAS訪問，為了降低對尾部元素的競爭，JVM會將一部分執行緒移動到EntryList中作為候選競爭執行緒。Owner執行緒會在unlock時，將ContentionList中的部分執行緒遷移到EntryList中，並指定EntryList中的某個執行緒為OnDeck執行緒（一般是最先進去的那個執行緒）。Owner執行緒並不直接把鎖傳遞給OnDeck執行緒，而是把鎖競爭的權利交給OnDeck，OnDeck需要重新競爭鎖。這樣雖然犧牲了一些公平性，但是能極大的提升系統的吞吐量，在JVM中，也把這種選擇行為稱之為“競爭切換”。
OnDeck執行緒獲取到鎖資源後會變為Owner執行緒，而沒有得到鎖資源的仍然停留在EntryList中。如果Owner執行緒被wait方法阻塞，則轉移到WaitSet佇列中，直到某個時刻通過notify或者notifyAll喚醒，會重新進去EntryList中。
處於ContentionList、EntryList、WaitSet中的執行緒都處於阻塞狀態，該阻塞是由作業系統來完成的（Linux核心下采用pthread_mutex_lock核心函式實現的）。
Synchronized是非公平鎖。 Synchronized線上程進入ContentionList時，等待的執行緒會先嚐試自旋獲取鎖，如果獲取不到就進入ContentionList，這明顯對於已經進入佇列的執行緒是不公平的，還有一個不公平的事情就是自旋獲取鎖的執行緒還可能直接搶佔OnDeck執行緒的鎖資源。
三、偏向鎖
偏向鎖，顧名思義，它會偏向於第一個訪問鎖的執行緒，如果在執行過程中，同步鎖只有一個執行緒訪問，不存在多執行緒爭用的情況，則執行緒是不需要觸發同步的，這種情況下，就會給執行緒加一個偏向鎖。
如果在執行過程中，遇到了其他執行緒搶佔鎖，則持有偏向鎖的執行緒會被掛起，JVM會消除它身上的偏向鎖，將鎖恢復到標準的輕量級鎖。
偏向鎖的實現
偏向鎖獲取過程：
1、訪問Mark Word中偏向鎖的標識是否設定成1，鎖標誌位是否為01，確認為可偏向狀態。
2、如果為可偏向狀態，則測試執行緒ID是否指向當前執行緒，如果是，進入步驟5，否則進入步驟3。
3、如果執行緒ID並未指向當前執行緒，則通過CAS操作競爭鎖。如果競爭成功，則將Mark Word中執行緒ID設定為當前執行緒ID，然後執行5；如果競爭失敗，執行4。
4、如果CAS獲取偏向鎖失敗，則表示有競爭。當到達全域性安全點（safepoint）時獲得偏向鎖的執行緒被掛起，偏向鎖升級為輕量級鎖，然後被阻塞在安全點的執行緒繼續往下執行同步程式碼。（撤銷偏向鎖的時候會導致stop the word）
5、執行同步程式碼。
偏向鎖的釋放：
偏向鎖的撤銷在上述第四步驟中有提到。偏向鎖只有遇到其他執行緒嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的執行緒才會釋放鎖，執行緒不會主動去釋放偏向鎖。偏向鎖的撤銷，需要等待全域性安全點（在這個時間點上沒有位元組碼正在執行），它會首先暫停擁有偏向鎖的執行緒，判斷鎖物件是否處於被鎖定狀態，撤銷偏向鎖後恢復到未鎖定（標誌位為“01”）或輕量級鎖（標誌位為“00”）的狀態。
偏向鎖的適用場景：
始終只有一個執行緒在執行同步塊，在它沒有執行完釋放鎖之前，沒有其它執行緒去執行同步塊，在鎖無競爭的情況下使用，一旦有了競爭就升級為輕量級鎖，升級為輕量級鎖的時候需要撤銷偏向鎖，撤銷偏向鎖的時候會導致stop the word操作；
在有鎖的競爭時，偏向鎖會多做很多額外操作，尤其是撤銷偏向所的時候會導致進入安全點，安全點會導致stw，導致效能下降，這種情況下應當禁用；
四、輕量級鎖
輕量級鎖是由偏向鎖升級來的，偏向鎖執行在一個執行緒進入同步塊的情況下，當第二個執行緒加入鎖爭用的時候，偏向鎖就會升級為輕量級鎖；
加鎖：
1、在程式碼進入同步塊的時候，如果同步物件鎖狀態為無鎖狀態（鎖標誌位為“01”狀態，是否為偏向鎖為“0”），虛擬機器首先將在當前執行緒的棧幀中建立一個名為鎖記錄（Lock Record）的空間，用於儲存鎖物件目前的Mark Word的拷貝，官方稱之為 Displaced Mark Word。這時候執行緒堆疊與物件頭的狀態如圖：
2、拷貝物件頭中的Mark Word複製到鎖記錄中；
3、拷貝成功後，虛擬機器將使用CAS操作嘗試將物件的Mark Word更新為指向Lock Record的指標，並將Lock record裡的owner指標指向object mark word。如果更新成功，則執行步驟4，否則執行步驟5。
4、如果這個更新動作成功了，那麼這個執行緒就擁有了該物件的鎖，並且物件Mark Word的鎖標誌位設定為“00”，即表示此物件處於輕量級鎖定狀態，這時候執行緒堆疊與物件頭的狀態如圖所示。
5、如果這個更新操作失敗了，虛擬機器首先會檢查物件的Mark Word是否指向當前執行緒的棧幀，如果是就說明當前執行緒已經擁有了這個物件的鎖，那就可以直接進入同步塊繼續執行。否則說明多個執行緒競爭鎖，輕量級鎖就要膨脹為重量級鎖，鎖標誌的狀態值變為“10”，Mark Word中儲存的就是指向重量級鎖（互斥量）的指標，後面等待鎖的執行緒也要進入阻塞狀態。 而當前執行緒便嘗試使用自旋來獲取鎖，自旋就是為了不讓執行緒阻塞，而採用迴圈去獲取鎖的過程。
解鎖：
輕量級解鎖時，會使用原子的CAS操作來將Displaced Mark Word替換回到物件頭，如果成功，則表示同步過程已完成。如果失敗，表示有其他執行緒嘗試過獲取該鎖，則要在釋放鎖的同時喚醒被掛起的執行緒。
五、鎖的優缺點對比
本文內容引用自：https://blog.csdn.net/zqz_zqz/article/details/70233767
1、Contention List：競爭佇列，所有請求鎖的執行緒首先被放在這個競爭佇列中；
2、Entry List：Contention List中那些有資格成為候選資源的執行緒被移動到Entry List中；
3、Wait Set：那些呼叫wait方法被阻塞的執行緒被放置在這裡；
4、OnDeck：任意時刻，最多隻有一個執行緒正在競爭鎖資源，該執行緒被成為OnDeck；
5、Owner：當前已經獲取到所資源的執行緒被稱為Owner；
6、!Owner：當前釋放鎖的執行緒。
具體分析：
JVM每次從佇列的尾部取出一個數據用於鎖競爭候選者（OnDeck），但是併發情況下，ContentionList會被大量的併發執行緒進行CAS訪問，為了降低對尾部元素的競爭，JVM會將一部分執行緒移動到EntryList中作為候選競爭執行緒。Owner執行緒會在unlock時，將ContentionList中的部分執行緒遷移到EntryList中，並指定EntryList中的某個執行緒為OnDeck執行緒（一般是最先進去的那個執行緒）。Owner執行緒並不直接把鎖傳遞給OnDeck執行緒，而是把鎖競爭的權利交給OnDeck，OnDeck需要重新競爭鎖。這樣雖然犧牲了一些公平性，但是能極大的提升系統的吞吐量，在JVM中，也把這種選擇行為稱之為“競爭切換”。
OnDeck執行緒獲取到鎖資源後會變為Owner執行緒，而沒有得到鎖資源的仍然停留在EntryList中。如果Owner執行緒被wait方法阻塞，則轉移到WaitSet佇列中，直到某個時刻通過notify或者notifyAll喚醒，會重新進去EntryList中。
處於ContentionList、EntryList、WaitSet中的執行緒都處於阻塞狀態，該阻塞是由作業系統來完成的（Linux核心下采用pthread_mutex_lock核心函式實現的）。
Synchronized是非公平鎖。 Synchronized線上程進入ContentionList時，等待的執行緒會先嚐試自旋獲取鎖，如果獲取不到就進入ContentionList，這明顯對於已經進入佇列的執行緒是不公平的，還有一個不公平的事情就是自旋獲取鎖的執行緒還可能直接搶佔OnDeck執行緒的鎖資源。
三、偏向鎖
偏向鎖，顧名思義，它會偏向於第一個訪問鎖的執行緒，如果在執行過程中，同步鎖只有一個執行緒訪問，不存在多執行緒爭用的情況，則執行緒是不需要觸發同步的，這種情況下，就會給執行緒加一個偏向鎖。
如果在執行過程中，遇到了其他執行緒搶佔鎖，則持有偏向鎖的執行緒會被掛起，JVM會消除它身上的偏向鎖，將鎖恢復到標準的輕量級鎖。
偏向鎖的實現
偏向鎖獲取過程：
1、訪問Mark Word中偏向鎖的標識是否設定成1，鎖標誌位是否為01，確認為可偏向狀態。
2、如果為可偏向狀態，則測試執行緒ID是否指向當前執行緒，如果是，進入步驟5，否則進入步驟3。
3、如果執行緒ID並未指向當前執行緒，則通過CAS操作競爭鎖。如果競爭成功，則將Mark Word中執行緒ID設定為當前執行緒ID，然後執行5；如果競爭失敗，執行4。
4、如果CAS獲取偏向鎖失敗，則表示有競爭。當到達全域性安全點（safepoint）時獲得偏向鎖的執行緒被掛起，偏向鎖升級為輕量級鎖，然後被阻塞在安全點的執行緒繼續往下執行同步程式碼。（撤銷偏向鎖的時候會導致stop the word）
5、執行同步程式碼。
偏向鎖的釋放：
偏向鎖的撤銷在上述第四步驟中有提到。偏向鎖只有遇到其他執行緒嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的執行緒才會釋放鎖，執行緒不會主動去釋放偏向鎖。偏向鎖的撤銷，需要等待全域性安全點（在這個時間點上沒有位元組碼正在執行），它會首先暫停擁有偏向鎖的執行緒，判斷鎖物件是否處於被鎖定狀態，撤銷偏向鎖後恢復到未鎖定（標誌位為“01”）或輕量級鎖（標誌位為“00”）的狀態。
偏向鎖的適用場景：
始終只有一個執行緒在執行同步塊，在它沒有執行完釋放鎖之前，沒有其它執行緒去執行同步塊，在鎖無競爭的情況下使用，一旦有了競爭就升級為輕量級鎖，升級為輕量級鎖的時候需要撤銷偏向鎖，撤銷偏向鎖的時候會導致stop the word操作；
在有鎖的競爭時，偏向鎖會多做很多額外操作，尤其是撤銷偏向所的時候會導致進入安全點，安全點會導致stw，導致效能下降，這種情況下應當禁用；
四、輕量級鎖
輕量級鎖是由偏向鎖升級來的，偏向鎖執行在一個執行緒進入同步塊的情況下，當第二個執行緒加入鎖爭用的時候，偏向鎖就會升級為輕量級鎖；
加鎖：
1、在程式碼進入同步塊的時候，如果同步物件鎖狀態為無鎖狀態（鎖標誌位為“01”狀態，是否為偏向鎖為“0”），虛擬機器首先將在當前執行緒的棧幀中建立一個名為鎖記錄（Lock Record）的空間，用於儲存鎖物件目前的Mark Word的拷貝，官方稱之為 Displaced Mark Word。這時候執行緒堆疊與物件頭的狀態如圖：
2、拷貝物件頭中的Mark Word複製到鎖記錄中；
3、拷貝成功後，虛擬機器將使用CAS操作嘗試將物件的Mark Word更新為指向Lock Record的指標，並將Lock record裡的owner指標指向object mark word。如果更新成功，則執行步驟4，否則執行步驟5。
4、如果這個更新動作成功了，那麼這個執行緒就擁有了該物件的鎖，並且物件Mark Word的鎖標誌位設定為“00”，即表示此物件處於輕量級鎖定狀態，這時候執行緒堆疊與物件頭的狀態如圖所示。
5、如果這個更新操作失敗了，虛擬機器首先會檢查物件的Mark Word是否指向當前執行緒的棧幀，如果是就說明當前執行緒已經擁有了這個物件的鎖，那就可以直接進入同步塊繼續執行。否則說明多個執行緒競爭鎖，輕量級鎖就要膨脹為重量級鎖，鎖標誌的狀態值變為“10”，Mark Word中儲存的就是指向重量級鎖（互斥量）的指標，後面等待鎖的執行緒也要進入阻塞狀態。 而當前執行緒便嘗試使用自旋來獲取鎖，自旋就是為了不讓執行緒阻塞，而採用迴圈去獲取鎖的過程。
解鎖：
輕量級解鎖時，會使用原子的CAS操作來將Displaced Mark Word替換回到物件頭，如果成功，則表示同步過程已完成。如果失敗，表示有其他執行緒嘗試過獲取該鎖，則要在釋放鎖的同時喚醒被掛起的執行緒。
五、鎖的優缺點對比
本文內容引用自：https://blog.csdn.net/zqz_zqz/article/details/70233767