一、前言

鎖的狀態(tài)總共有四種误澳，級(jí)別由低到高依次為：無(wú)鎖耻矮、偏向鎖、輕量級(jí)鎖忆谓、重量級(jí)鎖裆装，這四種鎖狀態(tài)分別代表什么，為什么會(huì)有鎖升級(jí)倡缠？其實(shí)在 JDK 1.6之前哨免，synchronized 還是一個(gè)重量級(jí)鎖，是一個(gè)效率比較低下的鎖昙沦，但是在JDK 1.6后琢唾，Jvm為了提高鎖的獲取與釋放效率對(duì)（synchronized ）進(jìn)行了優(yōu)化，引入了 偏向鎖 和 輕量級(jí)鎖 桅滋，從此以后鎖的狀態(tài)就有了四種（無(wú)鎖慧耍、偏向鎖身辨、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖）芍碧，并且四種狀態(tài)會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)的情況逐漸升級(jí)煌珊，而且是不可逆的過(guò)程，即不可降級(jí)泌豆，也就是說(shuō)只能進(jìn)行鎖升級(jí)（從低級(jí)別到高級(jí)別）定庵，不能鎖降級(jí)（高級(jí)別到低級(jí)別），意味著偏向鎖升級(jí)成輕量級(jí)鎖后不能降級(jí)成偏向鎖踪危。這種鎖升級(jí)卻不能降級(jí)的策略蔬浙，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。

二贞远、鎖的四種狀態(tài)

在 synchronized 最初的實(shí)現(xiàn)方式是 “阻塞或喚醒一個(gè)Java線程需要操作系統(tǒng)切換CPU狀態(tài)來(lái)完成畴博，這種狀態(tài)切換需要耗費(fèi)處理器時(shí)間，如果同步代碼塊中內(nèi)容過(guò)于簡(jiǎn)單蓝仲，這種切換的時(shí)間可能比用戶代碼執(zhí)行的時(shí)間還長(zhǎng)”俱病，這種方式就是 synchronized實(shí)現(xiàn)同步最初的方式，這也是當(dāng)初開(kāi)發(fā)者詬病的地方袱结，這也是在JDK6以前 synchronized效率低下的原因亮隙，JDK6中為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來(lái)的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級(jí)鎖”垢夹。

所以目前鎖狀態(tài)一種有四種溢吻，從級(jí)別由低到高依次是：無(wú)鎖、偏向鎖果元，輕量級(jí)鎖促王，重量級(jí)鎖，鎖狀態(tài)只能升級(jí)而晒，不能降級(jí)

如圖所示：

三硼砰、鎖狀態(tài)的思路以及特點(diǎn)

四、鎖對(duì)比

五欣硼、Synchronized鎖

synchronized 用的鎖是存在Java對(duì)象頭里的题翰，那么什么是對(duì)象頭呢？

5.1 Java 對(duì)象頭

我們以 Hotspot 虛擬機(jī)為例诈胜，Hopspot 對(duì)象頭主要包括兩部分?jǐn)?shù)據(jù)：Mark Word（標(biāo)記字段） 和 Klass Pointer（類(lèi)型指針）

Mark Word：默認(rèn)存儲(chǔ)對(duì)象的HashCode豹障，分代年齡和鎖標(biāo)志位信息。這些信息都是與對(duì)象自身定義無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)焦匈，所以Mark Word被設(shè)計(jì)成一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以便在極小的空間內(nèi)存存儲(chǔ)盡量多的數(shù)據(jù)血公。它會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間，也就是說(shuō)在運(yùn)行期間Mark Word里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)隨著鎖標(biāo)志位的變化而變化缓熟。

Klass Point：對(duì)象指向它的類(lèi)元數(shù)據(jù)的指針累魔，虛擬機(jī)通過(guò)這個(gè)指針來(lái)確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類(lèi)的實(shí)例摔笤。

在上面中我們知道了，synchronized 用的鎖是存在Java對(duì)象頭里的垦写，那么具體是存在對(duì)象頭哪里呢吕世？答案是：存在鎖對(duì)象的對(duì)象頭的Mark Word中，那么MarkWord在對(duì)象頭中到底長(zhǎng)什么樣梯投，它到底存儲(chǔ)了什么呢命辖？

下面我們以 32位虛擬機(jī)為例，來(lái)看一下其 Mark Word 的字節(jié)具體是如何分配的

無(wú)鎖 ：對(duì)象頭開(kāi)辟 25bit 的空間用來(lái)存儲(chǔ)對(duì)象的 hashcode 分蓖，4bit 用于存放對(duì)象分代年齡尔艇，1bit 用來(lái)存放是否偏向鎖的標(biāo)識(shí)位，2bit 用來(lái)存放鎖標(biāo)識(shí)位為01

偏向鎖： 在偏向鎖中劃分更細(xì)么鹤，還是開(kāi)辟 25bit 的空間终娃，其中23bit 用來(lái)存放線程ID，2bit 用來(lái)存放 Epoch蒸甜，4bit 存放對(duì)象分代年齡尝抖，1bit 存放是否偏向鎖標(biāo)識(shí)， 0表示無(wú)鎖迅皇，1表示偏向鎖，鎖的標(biāo)識(shí)位還是01

輕量級(jí)鎖：在輕量級(jí)鎖中直接開(kāi)辟 30bit 的空間存放指向棧中鎖記錄的指針衙熔，2bit 存放鎖的標(biāo)志位登颓，其標(biāo)志位為00

重量級(jí)鎖： 在重量級(jí)鎖中和輕量級(jí)鎖一樣，30bit 的空間用來(lái)存放指向重量級(jí)鎖的指針红氯，2bit 存放鎖的標(biāo)識(shí)位框咙，為11

GC標(biāo)記： 開(kāi)辟30bit 的內(nèi)存空間卻沒(méi)有占用，2bit 空間存放鎖標(biāo)志位為11痢甘。

其中無(wú)鎖和偏向鎖的鎖標(biāo)志位都是01喇嘱，只是在前面的1bit區(qū)分了這是無(wú)鎖狀態(tài)還是偏向鎖狀態(tài)

關(guān)于內(nèi)存的分配，我們可以在git中openJDK中 markOop.hpp 可以看出：

public:
  // Constants
  enum { age_bits                 = 4,
         lock_bits                = 2,
         biased_lock_bits         = 1,
         max_hash_bits            = BitsPerWord - age_bits - lock_bits - biased_lock_bits,
         hash_bits                = max_hash_bits > 31 ? 31 : max_hash_bits,
         cms_bits                 = LP64_ONLY(1) NOT_LP64(0),
         epoch_bits               = 2
  };

age_bits： 就是我們說(shuō)的分代回收的標(biāo)識(shí)塞栅，占用4字節(jié)
lock_bits： 是鎖的標(biāo)志位者铜，占用2個(gè)字節(jié)
biased_lock_bits： 是是否偏向鎖的標(biāo)識(shí)，占用1個(gè)字節(jié)
max_hash_bits： 是針對(duì)無(wú)鎖計(jì)算的hashcode 占用字節(jié)數(shù)量放椰，如果是32位虛擬機(jī)作烟，就是 32 - 4 - 2 -1 = 25 byte，如果是64 位虛擬機(jī)砾医，64 - 4 - 2 - 1 = 57 byte拿撩，但是會(huì)有 25 字節(jié)未使用，所以64位的 hashcode 占用 31 byte
hash_bits： 是針對(duì) 64 位虛擬機(jī)來(lái)說(shuō)如蚜，如果最大字節(jié)數(shù)大于 31压恒，則取31影暴，否則取真實(shí)的字節(jié)數(shù)
cms_bits： 不是64位虛擬機(jī)就占用 0 byte，是64位就占用 1byte
epoch_bits： 就是 epoch 所占用的字節(jié)大小探赫，2字節(jié)型宙。

5.2 Monitor

Monitor 可以理解為一個(gè)同步工具或一種同步機(jī)制，通常被描述為一個(gè)對(duì)象期吓。每一個(gè) Java 對(duì)象就有一把看不見(jiàn)的鎖早歇，稱為內(nèi)部鎖或者 Monitor 鎖。

Monitor 是線程私有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)讨勤，每一個(gè)線程都有一個(gè)可用 monitor record 列表箭跳，同時(shí)還有一個(gè)全局的可用列表。每一個(gè)被鎖住的對(duì)象都會(huì)和一個(gè) monitor 關(guān)聯(lián)潭千，同時(shí) monitor 中有一個(gè) Owner 字段存放擁有該鎖的線程的唯一標(biāo)識(shí)谱姓，表示該鎖被這個(gè)線程占用。

Synchronized是通過(guò)對(duì)象內(nèi)部的一個(gè)叫做監(jiān)視器鎖（monitor）來(lái)實(shí)現(xiàn)的刨晴，監(jiān)視器鎖本質(zhì)又是依賴于底層的操作系統(tǒng)的 Mutex Lock（互斥鎖）來(lái)實(shí)現(xiàn)的屉来。而操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個(gè)成本非常高狈癞，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對(duì)比較長(zhǎng)的時(shí)間茄靠，這就是為什么 Synchronized 效率低的原因。因此蝶桶，這種依賴于操作系統(tǒng) Mutex Lock 所實(shí)現(xiàn)的鎖我們稱之為重量級(jí)鎖慨绳。

隨著鎖的競(jìng)爭(zhēng)，鎖可以從偏向鎖升級(jí)到輕量級(jí)鎖真竖，再升級(jí)的重量級(jí)鎖（但是鎖的升級(jí)是單向的脐雪，也就是說(shuō)只能從低到高升級(jí)，不會(huì)出現(xiàn)鎖的降級(jí)）恢共。JDK 1.6中默認(rèn)是開(kāi)啟偏向鎖和輕量級(jí)鎖的战秋，我們也可以通過(guò)-XX:-UseBiasedLocking=false來(lái)禁用偏向鎖。

六讨韭、鎖的分類(lèi)

6.2 無(wú)鎖

無(wú)鎖是指沒(méi)有對(duì)資源進(jìn)行鎖定脂信，所有的線程都能訪問(wèn)并修改同一個(gè)資源，但同時(shí)只有一個(gè)線程能修改成功透硝。

無(wú)鎖的特點(diǎn)是修改操作會(huì)在循環(huán)內(nèi)進(jìn)行吉嚣，線程會(huì)不斷的嘗試修改共享資源。如果沒(méi)有沖突就修改成功并退出蹬铺，否則就會(huì)繼續(xù)循環(huán)嘗試尝哆。如果有多個(gè)線程修改同一個(gè)值，必定會(huì)有一個(gè)線程能修改成功甜攀，而其他修改失敗的線程會(huì)不斷重試直到修改成功秋泄。

6.3 偏向鎖

初次執(zhí)行到synchronized代碼塊的時(shí)候琐馆，鎖對(duì)象變成偏向鎖（通過(guò)CAS修改對(duì)象頭里的鎖標(biāo)志位），字面意思是“偏向于第一個(gè)獲得它的線程”的鎖恒序。執(zhí)行完同步代碼塊后瘦麸，線程并不會(huì)主動(dòng)釋放偏向鎖。當(dāng)?shù)诙蔚竭_(dá)同步代碼塊時(shí)歧胁，線程會(huì)判斷此時(shí)持有鎖的線程是否就是自己（持有鎖的線程ID也在對(duì)象頭里）滋饲，如果是則正常往下執(zhí)行。由于之前沒(méi)有釋放鎖喊巍，這里也就不需要重新加鎖屠缭。如果自始至終使用鎖的線程只有一個(gè)，很明顯偏向鎖幾乎沒(méi)有額外開(kāi)銷(xiāo)崭参，性能極高呵曹。

偏向鎖是指當(dāng)一段同步代碼一直被同一個(gè)線程所訪問(wèn)時(shí)，即不存在多個(gè)線程的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)何暮，那么該線程在后續(xù)訪問(wèn)時(shí)便會(huì)自動(dòng)獲得鎖奄喂，從而降低獲取鎖帶來(lái)的消耗，即提高性能海洼。

當(dāng)一個(gè)線程訪問(wèn)同步代碼塊并獲取鎖時(shí)跨新，會(huì)在 Mark Word 里存儲(chǔ)鎖偏向的線程 ID。在線程進(jìn)入和退出同步塊時(shí)不再通過(guò) CAS 操作來(lái)加鎖和解鎖坏逢，而是檢測(cè) Mark Word 里是否存儲(chǔ)著指向當(dāng)前線程的偏向鎖域帐。輕量級(jí)鎖的獲取及釋放依賴多次 CAS 原子指令，而偏向鎖只需要在置換 ThreadID 的時(shí)候依賴一次 CAS 原子指令即可词疼。

偏向鎖只有遇到其他線程嘗試競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖時(shí)，持有偏向鎖的線程才會(huì)釋放鎖帘腹，線程是不會(huì)主動(dòng)釋放偏向鎖的贰盗。

關(guān)于偏向鎖的撤銷(xiāo)，需要等待全局安全點(diǎn)阳欲，即在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上沒(méi)有字節(jié)碼正在執(zhí)行時(shí)舵盈，它會(huì)先暫停擁有偏向鎖的線程，然后判斷鎖對(duì)象是否處于被鎖定狀態(tài)球化。如果線程不處于活動(dòng)狀態(tài)秽晚，則將對(duì)象頭設(shè)置成無(wú)鎖狀態(tài)，并撤銷(xiāo)偏向鎖筒愚，恢復(fù)到無(wú)鎖（標(biāo)志位為01）或輕量級(jí)鎖（標(biāo)志位為00）的狀態(tài)赴蝇。

6.4 輕量級(jí)鎖（自旋鎖）

輕量級(jí)鎖是指當(dāng)鎖是偏向鎖的時(shí)候，卻被另外的線程所訪問(wèn)巢掺，此時(shí)偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖句伶，其他線程會(huì)通過(guò)自旋（關(guān)于自旋的介紹見(jiàn)文末）的形式嘗試獲取鎖劲蜻，線程不會(huì)阻塞，從而提高性能考余。

輕量級(jí)鎖的獲取主要由兩種情況：
① 當(dāng)關(guān)閉偏向鎖功能時(shí)先嬉；
② 由于多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖導(dǎo)致偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖。

一旦有第二個(gè)線程加入鎖競(jìng)爭(zhēng)楚堤，偏向鎖就升級(jí)為輕量級(jí)鎖（自旋鎖）疫蔓。這里要明確一下什么是鎖競(jìng)爭(zhēng)：如果多個(gè)線程輪流獲取一個(gè)鎖，但是每次獲取鎖的時(shí)候都很順利身冬，沒(méi)有發(fā)生阻塞衅胀，那么就不存在鎖競(jìng)爭(zhēng)。只有當(dāng)某線程嘗試獲取鎖的時(shí)候吏恭，發(fā)現(xiàn)該鎖已經(jīng)被占用拗小，只能等待其釋放，這才發(fā)生了鎖競(jìng)爭(zhēng)樱哼。

在輕量級(jí)鎖狀態(tài)下繼續(xù)鎖競(jìng)爭(zhēng)哀九，沒(méi)有搶到鎖的線程將自旋，即不停地循環(huán)判斷鎖是否能夠被成功獲取搅幅。獲取鎖的操作阅束，其實(shí)就是通過(guò)CAS修改對(duì)象頭里的鎖標(biāo)志位。先比較當(dāng)前鎖標(biāo)志位是否為“釋放”茄唐，如果是則將其設(shè)置為“鎖定”息裸，比較并設(shè)置是原子性發(fā)生的。這就算搶到鎖了沪编，然后線程將當(dāng)前鎖的持有者信息修改為自己呼盆。

長(zhǎng)時(shí)間的自旋操作是非常消耗資源的，一個(gè)線程持有鎖蚁廓，其他線程就只能在原地空耗CPU访圃，執(zhí)行不了任何有效的任務(wù)，這種現(xiàn)象叫做忙等（busy-waiting）相嵌。如果多個(gè)線程用一個(gè)鎖腿时，但是沒(méi)有發(fā)生鎖競(jìng)爭(zhēng)，或者發(fā)生了很輕微的鎖競(jìng)爭(zhēng)饭宾，那么synchronized就用輕量級(jí)鎖批糟，允許短時(shí)間的忙等現(xiàn)象。這是一種折衷的想法看铆，短時(shí)間的忙等徽鼎，換取線程在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間切換的開(kāi)銷(xiāo)。

6.4 重量級(jí)鎖

重量級(jí)鎖顯然，此忙等是有限度的（有個(gè)計(jì)數(shù)器記錄自旋次數(shù)纬傲，默認(rèn)允許循環(huán)10次满败，可以通過(guò)虛擬機(jī)參數(shù)更改）。如果鎖競(jìng)爭(zhēng)情況嚴(yán)重叹括，某個(gè)達(dá)到最大自旋次數(shù)的線程算墨，會(huì)將輕量級(jí)鎖升級(jí)為重量級(jí)鎖（依然是CAS修改鎖標(biāo)志位，但不修改持有鎖的線程ID）汁雷。當(dāng)后續(xù)線程嘗試獲取鎖時(shí)净嘀，發(fā)現(xiàn)被占用的鎖是重量級(jí)鎖，則直接將自己掛起（而不是忙等）侠讯，等待將來(lái)被喚醒挖藏。

重量級(jí)鎖是指當(dāng)有一個(gè)線程獲取鎖之后，其余所有等待獲取該鎖的線程都會(huì)處于阻塞狀態(tài)厢漩。

簡(jiǎn)言之膜眠，就是所有的控制權(quán)都交給了操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)來(lái)負(fù)責(zé)線程間的調(diào)度和線程的狀態(tài)變更溜嗜。而這樣會(huì)出現(xiàn)頻繁地對(duì)線程運(yùn)行狀態(tài)的切換宵膨，線程的掛起和喚醒，從而消耗大量的系統(tǒng)資

五炸宵、總結(jié)

文中講述了鎖的四種狀態(tài)以及鎖是如何一步一步升級(jí)的過(guò)程辟躏，文中有理解不到位或者有問(wèn)題的地方，歡迎大家在評(píng)論區(qū)中下方指出和交流土全，謝謝大家