锁的进化

java线程是映射到操作系统的原生线程之上的，若是要唤醒或阻塞一个线程，都需要操作系统来帮忙完成，这就需要从用户态转换到内核态中，这种转换需要耗费很多的处理时间，有可能比用户代码执行时间都要长。

为了避免以上情况出现，一般能不用锁就不用锁，若是不得不使用的情况下，可以使用偏向锁、自旋锁等。

1、重量级锁

锁的意义是什么呢？

当数据被多个线程共享时，为了保证数据的正确性，避免竞争导致数据错误，这时就必须使用锁，让数据同时只能被一个线程得到并处理。

重量级锁在JVM中又叫对象监视器（Monitor），它包含了一个竞争锁的队列和一个信号阻塞队列，前者负责做互斥，后者负责线程同步。

重量级锁中的挂起线程和恢复线程，都需要从用户态转换到内核态去执行，这其中需要耗费很多时间，对性能有很大的影响。

2、自旋锁

其实锁在大部分情况下会在短时间内执行完成，占用锁的时间不会太长，基于这种情况，自旋锁出现了。

自旋锁顾名思义，是采用让当前线程不停地循环去获取锁，而不是让线程挂起，这样就少了唤醒线程的消耗。

在当前线程不停地获取锁时，会占用CPU时间，增加CPU的消耗，在多核处理器上优势比较明显，若锁保持的时间不长，线程竞争不激烈，自旋锁是很不错的。

相反，若锁被长期占用，线程数也不断增加，就变成了“忙式等待”，这时自旋锁的性能就会下降。

为了控制自旋锁循环的次数，JDK1.5默认自旋锁循环10次若还未得到锁就升级为重量级锁，在JDK1.6中更是引入了自适应自旋锁，这种简单来说，就是若自旋成功率高，就会让线程经过较长时间的自旋，比如自旋100次；若自旋失败率高，就会让线程自旋次数很少，甚至不自旋，直接就升级为重量级锁了。

3、偏向锁

不论是重量级锁还是自旋锁，在进入或退出时，都得通过CAS来修改对象头的Mark Word来进行加锁和释放锁。

针对对象头，一般包含两部分，第一部分用户存储对象自身的运行时数据（Mark Word），比如hashcode、GC分代年龄、锁状态标记等，另外一部分为类型指针（Klass），即对象指向它的类元数据指针。若对象为数据，则还会有一部分，用户记录数据长度的数据。

 

 

 

在一些情况下，总是同一个线程获取到锁，此时每次都得通过CAS修改对象头的Mark Word，显然是比较多余的，由此就产生了偏向锁。

在JDK1.6中引入了偏向锁，当一个线程获取到锁的时候，会在对象头中放入偏向线程的ID，当下次这个线程再获取此锁的时候，就会直接检查线程ID是否一致，若是一致就说明获取到锁了，不用再进行CAS操作，若是不一致，则去检测对象头中Mark Word中的偏向锁标记是否为1，若是，则尝试使用CAS修改对象头中的偏向线程ID为当前线程，若不是，则使用CAS竞争锁。

偏向锁使用了一种竞争才会释放锁的机制，也就是只有其他线程竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才有可能释放锁。

偏向锁在JDK1.6和1.7中都是默认开启的，但是需要在程序启动几秒之后才会自动开启，若是不想延迟开启，可以修改参数-XX:BiasedLockingStartupDelay=0

现在项目使用多线程的情况比较常见，竞争锁也是比较激烈，每次都是从偏向锁升级到轻量级锁，而偏向锁用得比较少，所以你也可以关闭偏向锁，直接默认进入轻量锁（自旋锁）状态，使用参数-XX:-UseBiasedLocking=false即可

对于锁来说，还有一些其他优化，如锁削除和锁膨胀。

锁削除就是虚拟机即时编译器（JIT）运行时，依据逃逸分析的数据检测到不可能存在竞争锁，就自动把锁削除了，比如局部变量作为锁等。

锁膨胀，简单来说就是频繁执行中对同一对象加锁，反复的加锁和解锁势必会带来很大的性能消耗，这时会自动将锁的范围扩展到频繁执行的外部，将反复锁合并为一个锁。

4、锁升级

以上锁在使用过程中，会自动进行升级，升级的顺序：偏向锁->自旋锁→重量级锁

对于锁升级过程，可以参考以下流程

1、检测Mark Word里面是不是当前线程ID，若是，表示当前线程处于偏向锁，并获取到锁

2、若不是，则尝试使用CAS修改Mark Word置为当前线程ID，若修改成功，则当前线程获得偏向锁，并置偏向位为1

3、若修改失败，则说明发生了竞争，撤销偏向锁，升级为轻量级锁

4、当前线程通过CAS修改Mark Word为锁记录指针，如果成功，则获取到锁

5、若失败，表示有其他线程在竞争锁，当前线程便使用自旋锁尝试获取锁

6、若自旋成功，则依然处于轻量级锁

7、若自旋失败，则升级为重量级锁，线程开始阻塞

5、锁的优缺点对比

锁 优点 缺点 适用场景

偏向锁	加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法比，仅存在纳秒级的差距	如果线程间存在锁金正，会额外带来锁撤销的消耗	适用只有一个线程访问同步块的的场景
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度	若线程始终获取不到锁，自旋会白白浪费资源，消耗CPU	追求响应时间，锁占用时间很短的情况
重量级锁	线程竞争不使用自旋，不消耗CPU	线程阻塞，响应时间变慢，挂起和唤醒比较消耗资源	追求吞吐量，锁占用时间较长