Java 多线程之：偏向锁，轻量级锁，重量级锁

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一：java多线程互斥，和java多线程引入偏向锁和轻量级锁的原因？

--->synchronized的重量级别的锁，就是在线程运行到该代码块的时候，让程序的运行级别从用户态切换到内核态，把所有的线程挂起，让cpu通过操作系统指令，去调度多线程之间，谁执行代码块，谁进入阻塞状态。这样会频繁出现程序运行状态的切换，线程的挂起和唤醒，这样就会大量消耗资源，程序运行的效率低下。为了提高效率，jvm的开发人员，引入了偏向锁，和轻量级锁，尽量让多线程访问公共资源的时候，不进行程序运行状态的切换，由用户态进入内核态，借助操作系统进行互斥。

--->jvm规范中可以看到synchronized在jvm里实现原理，jvm基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同的。在代码同步的开始位置织入monitorenter,在结束同步的位置（正常结束和异常结束处）织入monitorexit指令实现。线程执行到monitorenter处，讲会获取锁对象锁对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁。（任意对象都又一个monitor与之关联，当且一个monitor被持有后，他处于锁定状态）

--->java的多线程安全是基于lock机制实现的，而lock的性能往往不如人意。原因是，monitorenter与monitorexit这两个控制多线程同步的bytecode原语，是jvm依赖操作系统互斥（mutex）来实现的。

--->互斥是一种会导致线程挂起，并在较短时间内又需要重新调度回原线程的，较为消耗资源的操作。

--->为了优化java的Lock机制，从java6开始引入轻量级锁的概念。轻量级锁本意是为了减少多线程进入互斥的几率，并不是要替代互斥。它利用了cpu原语Compare-And-Swap（cas,汇编指令CMPXCHG）,尝试进入互斥前，进行补救。

五：偏向锁，轻量级锁，重量级锁对比

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，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距	如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗	适用于只有一个线程访问同步块场景
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度	如果始终得不到索竞争的线程，使用自旋会消耗CPU	追求响应速度，同步块执行速度非常快
重量级锁	线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU	线程阻塞，响应时间缓慢	追求吞吐量，同步块执行速度较长

对象头的存储内容（monitor）

长度	内容	说明
32/64bit	Mark Word	存储对象的hashcode或锁信息
32/64bit	类对象的地址	存储到对象类型数据的指针
32/64bit	Array length	数组的长度（如果当前对象是数组）

Mark Word存储内容（monitor）的状态变化

锁状态	25bit,4bit	1bit(是否是偏向锁)	2bit(锁标示位)
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针		00
重量级锁	指向互斥量（重量级锁）的指针		10
GC	空		11
偏向锁	线程id,对象hashcode,对象分代年龄	1	01

六：锁的状态

--->锁一共有四种状态（由低到高的次序）：无锁状态，偏向锁状态，轻量级锁状态，重量级锁状态

--->锁的等级只可以升级，不可以降级。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

七：偏向锁

--->a线程获得锁，会在a线程的的栈帧里创建lock record(锁记录变量)，则在锁对象的对象头里和lock record里存储a线程的线程id.以后该线程的进入，就不需要cas操作，只需要判断是否是当前线程。

--->a线程获取锁，不会释放锁。直到b线程也要竞争该锁时，a线程才会释放锁。

--->偏向锁的释放，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有正在执行的字节码），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否还活着，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态。如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的所记录。栈帧中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向其他线程，要么恢复到无锁，或者标记对象不适合作为偏向锁。最后唤醒暂停的线程。

--->关闭偏向锁，通过jvm的参数-XX:UseBiasedLocking=false,则默认会进入轻量级锁。