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锁级别由低到高依次为：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。只能升级不能降级。

锁级别越高，获得锁和释放锁就越耗费性能。

轻量级锁

  • 轻量级锁是一种多线程优化，通过 CAS 来避免进入开销较大的互斥操作。
  • 有线程竞争锁就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

【加锁】

  1. 线程访问同步块，JVM 会先在当前线程的栈桢中创建一个空间用于存储锁记录，并将对象头中的 Mark Word 复制于此。
  2. 然后线程尝试使用 CAS 将对象头中的 Mark Word 替换为指向锁记录的指针。
    • 如果成功，当前线程获得锁，对象头中锁标志位设置为00。
    • 如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁，自旋一定次数后若还是失败，就会膨胀为重量级锁，因为重量级锁的互斥性，线程阻塞。

PS：自旋虽然避免了线程切换的开销，但会消耗 CPU，因此要控制次数。

【解锁】

CAS 操作来将 Mark Word 从锁记录替换回到对象头。

  • 如果成功，则表示没有竞争发生。
  • 如果失败，表示当前锁存在竞争，锁已膨胀成重量级锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

【轻量级锁及膨胀流程图】

偏向锁

  • 偏向锁只能在单线程下起作用。
  • 偏向锁，偏向于第一个访问锁的线程，如果接下来该锁没有被其他的线程访问，则持有偏向锁的线程将永远不需要触发同步。
  • 本质上偏向锁就是为了消除 CAS，使获得锁的代价更低。

【加锁】

  • 当一个线程访问同步块时，会在对象头中存储锁偏向的线程 ID（通过最开始的一次CAS），以后这个线程在进入这个同步块时就不需要进行 CAS 操作来加锁和解锁，只需要简单测试 Mark Word 中是否存储着指向当前线程的偏向锁。
  • 如果测试成功，则说明线程已经获取了锁。
  • 如果测试失败，则需再测试 Mark Word 中偏向锁的标识是否设置为 1（是否还是偏向锁）。
  • 如果没有设置，表示当前可能已经升级为轻量锁或重量锁了，则使用 CAS 竞争锁。
  • 如果设置了，表示当前还处于偏向锁层次只是此时没有线程占有锁，尝试使用 CAS 将对象头的偏向锁指向该线程（释放锁时，会将 Mark Word 中线程 ID 的这个位置置空，以便其他线程获取该偏向锁）。

【解锁（锁撤销）】

  • 线程不会主动去释放偏向锁：只有其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。
  • 遇到其他线程竞争锁，持有偏向锁的线程会被挂起，若持有偏向锁的线程处于同步块内，将锁升级为轻量级锁，若持有偏向锁的线程已退出同步块，将锁置为无锁状态，最后唤醒暂停的线程。

【偏向锁的获得和撤销流程】

锁的优缺点对比

锁 优点 缺点 适用场景
偏向锁 加锁解锁不需要额外消耗 如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销消耗 适用于单线程
轻量级锁 竞争的线程不会阻塞，提高了程序的相应速度 如果始终得不到锁竞争的线程，使用自旋会消耗 CPU 追求相应时间，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

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