Javasynchronized轻量级锁的核心原理详解

2024-04-02 19:55

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1. 轻量级锁的原理

引入轻量级锁的主要目的是在多线程竞争不激烈的情况下，通过CAS机制竞争锁减少重量级锁产生的性能损耗。重量级锁使用了操作系统底层的互斥锁（Mutex Lock），会导致线程在用户态和核心态之间频繁切换，从而带来较大的性能损耗。

轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化。

轻量锁存在的目的是尽可能不动用操作系统层面的互斥锁，因为其性能比较差。线程的阻塞和唤醒需要CPU从用户态转为核心态，频繁地阻塞和唤醒对CPU来说是一件负担很重的工作。同时我们可以发现，很多对象锁的锁定状态只会持续很短的一段时间，例如整数的自加操作，在很短的时间内阻塞并唤醒线程显然不值得，为此引入了轻量级锁。轻量级锁是一种自旋锁，因为JVM本身就是一个应用，所以希望在应用层面上通过自旋解决线程同步问题。

public class Main {
    static final Object obj = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(()->{
           method1();
        });
        thread.start();
    }

    public static void method1() {
        synchronized( obj ) {
            // 同步块 A
            method2();
        }
    }
    public static void method2() {
        synchronized( obj ) {
            // 同步块 B
        }
    }
}

轻量级锁的执行过程：

在抢锁线程进入临界区之前，如果内置锁没有被锁定，JVM首先将在抢锁线程的栈帧中建立一个锁记录（Lock Record），用于存储对象Mark Word的拷贝，

然后抢锁线程将使用CAS自旋操作，尝试将内置锁对象头的Mark Word的ptr_to_lock_record（锁记录指针）更新为抢锁线程栈帧中锁记录的地址，如果这个更新执行成功了，这个线程就拥有了这个对象锁。然后JVM将Mark Word中的lock标记位改为00（轻量级锁标志），即表示该对象处于轻量级锁状态。抢锁成功之后，JVM会将Mark Word中原来的锁对象信息（如哈希码等）保存在抢锁线程锁记录的Displaced Mark Word（可以理解为放错地方的Mark Word）字段中，再将抢锁线程中锁记录的owner指针指向锁对象。

锁记录是线程私有的，每个线程都有自己的一份锁记录，在创建完锁记录后，会将内置锁对象的Mark Word复制到锁记录的Displaced Mark Word字段。这是为什么呢？因为内置锁对象的MarkWord的结构会有所变化，Mark Word将会出现一个指向锁记录的指针，而不再存着无锁状态下的锁对象哈希码等信息，所以必须将这些信息暂存起来，供后面在锁释放时使用。

(1) 在抢锁线程进入临界区之前，如果内置锁没有被锁定，JVM首先将在抢锁线程的栈帧中建立一个锁记录（Lock Record），每个线程都的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的mark word

在这里插入图片描述

(2) 抢锁线程将使用CAS自旋操作，尝试将内置锁对象头的mark word的ptr_to_lock_record（锁记录指针）更新为抢锁线程栈帧中锁记录的地址，如果这个更新执行成功了，这个线程就拥有了这个对象锁。然后jvm将mark word中的lock标记位改为00，即表示该对象处于轻量级锁状态。

抢锁成功之后，jvm会将mark word中原来的锁对象信息（如哈希码等）保存在抢锁线程锁记录的Displaced Mark Word字段中，再将抢锁线程中锁记录的owner指针指向锁对象。

64位的mark word结构如表所示：

在这里插入图片描述

在轻量级锁抢占成功之后，锁记录和对象头的状态如图所示：

在这里插入图片描述

锁记录是线程私有的，每个线程都有自己的一份锁记录，在创建完锁记录后，会将内置锁对象的Mark Word复制到锁记录的Displaced Mark Word字段。这是为什么呢？因为内置锁对象的mark word的结构会有所变化，mark word将会出现一个指向锁记录的指针，而不再存着无锁状态下的锁对象哈希码等信息，所以必须将这些信息暂存起来，供后面在锁释放时使用。

(3) 如果 cas 失败，有两种情况：