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描述一下锁的四种状态及升级过程？ - 程序员Forlan

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1、锁的四种状态

无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁

2、Java对象头描述

以下为32位对象头描述

在这里插入图片描述
以下为64位对象头描述
在这里插入图片描述

3、锁的升级过程（Synchronized加锁/膨胀流程）

1）简单过程如下图

在这里插入图片描述

2）详细过程

当线程访问同步代码块时，首先判断当前锁状态是否为可偏向状态（对象头中偏向锁=1，锁标志=01）
在JDK1.6以上默认开启，开启后程序启动几秒后才会被激活

（1）偏向锁

如果是可偏向状态，检查MarkWord存储的是否是当前线程ID

  • 是，获得偏向锁，执行同步代码块
  • 不是，CAS操作竞争锁，替换线程ID
    • 替换成功，MarkWord的线程ID设置为当前线程ID(线程复用)，执行同步代码块
    • 替换失败，锁撤销，升级为轻量级锁
      同一类对象多次撤销升级达到阈值20，则偏向锁认为，后面的锁需要重新偏向新的线程（批量重偏向）
      如果阈值达到40次，则偏向锁认为偏向锁撤销过于频繁，后面直接使用轻量级锁

（2）轻量级锁

升级为轻量级锁的情况

  • 如果不是可偏向状态，直接升级为轻量级锁
  • 偏向锁撤销次数过多

加锁时，会在当前线程栈帧中划出一块空间，作为该锁记录，并且将锁对象MarkWord复制到该锁记录中，CAS操作将MarkWord更新为该锁记录的指针，锁记录中的owner指针指向对象头的MarkWord。

  • 更新成功，MarkWord锁标志位为00，表示轻量级锁状态
  • 更新失败，检查锁对象MarkWord是否指向当前线程栈帧中的锁记录
    • 是，表示锁重入，在当前线程栈帧中锁记录+1
    • 否，自旋等待（默认10次），等待次数达到阈值，升级为重量级锁

（3）重量级锁

升级为重量级锁的情况

  • 竞争加剧，CAS自旋到一定次数升级为重量级锁
  • 自旋线程数超过CPU核数的一半， 1.6之后，加入自适应自旋Adapative Self Spinning，JVM自己控制

获取锁成功，进入EntryList（获取锁的缓冲区、入口）

  • 在调用wait方法后，会进入等待唤醒队列（WaitSet）等待
  • 在调用notify方法后，则可能进入EntryList
    获取锁失败，进入一个等待拿锁队列（cxq）等待

具体重量级锁加锁过程:
1、分配⼀个ObjectMonitor对象，把MarkWord锁标志置为‘10’，然后MarkWord存储指向ObjectMonitor对象的指针。ObjectMonitor对象有两个队列和⼀个指针，每个需要获取锁的线程都包装成ObjectWaiter对象
2、多个线程同时执行同⼀段同步代码时，ObjectWaiter先进⼊EntryList队列，当某个线程获取到对象的monitor以后进⼊Owner区域，并把monitor中的owner变量设置为当前线程，同时monitor中的计数器count+1

说明：
monitor：每个Java对象都有一把锁，称为内部锁或monitor锁
owner，指向的是当前获得线程的地址，用来判断当前锁是被哪个线程持有

1）synchronized效率低？

用户态：偏向锁、轻量级锁
内核态：重量级锁

首先来了解下synchronized重量级锁实现原理？
  通过对象内部的一个叫做监视器锁（monitor）来实现的，监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock（互斥锁）来实现的。而操作系统实现线程之间的切换需要从用户态转换到核心态，这个成本非常高。
  在JDK6以前，只有重量级锁，阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态切换需要耗费处理器时间。
  在JDK6中，为了提高性能，引入了偏向锁和轻量级锁。

2）为什么要有偏向锁？

大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了减少线程获得锁的代价，所以引入了偏向锁

3）为什么要有重量级锁？

自旋锁消耗CPU资源，重量级锁有等待队列，不会消耗CPU资源

4）偏向锁是否一定比自旋锁效率高?

不一定，在多线程竞争情况下，偏向锁会涉及锁撤销，这时候应该直接使用自旋锁

5）锁重入

重入次数必须记录，才能知道要解锁几次

  • 轻量级锁，记录在线程栈，每插入一次，LockRecord+1
  • 重量级锁，记录在ObjectMonitor字段上

6）Hopspot对象头就是MarkWord？

不是的，Hopspot对象头主要包括两部分数据：MarkWord（标记字段） 和 classPointer（类指针）

7）锁可以降级？

不行的，是一个不可逆的过程，主要是为了提高获得锁和释放锁的效率

8）锁对比，适用场景？

偏向锁：适用于一个线程，不会有锁消耗，锁撤销
轻量级锁：适用于多个线程竞争，但同步代码块执行快的情况下，因为自旋会消耗CPU
重量级锁：适用于多个线程竞争，但同步代码块执行慢的情况下，不消耗CPU，可以提高吞吐量


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