Java并发编程中的锁升级过程：从偏向锁到重量级锁的转变

大家好！今天我们来深入探讨Java并发编程中一个非常重要的概念：锁升级。Java的锁机制并非一成不变，而是会根据实际的竞争情况进行优化，这就是锁升级的过程。理解锁升级对于编写高性能的并发程序至关重要。我们会从偏向锁开始，逐步过渡到重量级锁，详细讲解每个阶段的原理、适用场景以及升级过程。

1. 锁的背景知识：为什么需要锁？

在多线程环境下，多个线程可能同时访问共享资源，如果没有适当的同步机制，就会导致数据不一致、程序崩溃等问题。锁就是一种用于控制多个线程对共享资源访问的同步机制。它可以确保同一时刻只有一个线程可以访问被保护的资源，从而避免竞态条件（Race Condition）。

2. 锁的状态：从轻量级到重量级

Java中的锁并非只有一种，而是根据竞争的激烈程度，逐渐从轻量级升级到重量级。主要包括以下几种状态：

无锁状态： 资源没有被任何锁保护。
偏向锁状态： 适用于只有一个线程访问共享资源的场景，可以避免不必要的锁竞争。
轻量级锁状态： 适用于多个线程交替访问共享资源的场景，通过CAS（Compare and Swap）操作来避免阻塞。
重量级锁状态： 适用于多个线程同时竞争共享资源的场景，线程会被阻塞并放入等待队列中。

3. 偏向锁：只属于我的锁

偏向锁的设计目标是消除单线程环境下不必要的锁竞争。如果一个锁总是由同一个线程获取，那么每次加锁解锁都需要进行CAS操作，这会带来一定的开销。偏向锁的思想是：认为锁总是被一个线程持有，所以只需要在第一次获取锁时记录下持有锁的线程ID，以后该线程再次获取锁时，就无需再进行任何同步操作。

3.1 偏向锁的原理

当一个线程第一次访问同步块并获取锁时，会在对象头的Mark Word中记录下当前线程的ID，并将偏向锁标志设置为1。以后该线程再次进入同步块时，只需检查对象头的Mark Word中记录的线程ID是否与当前线程ID一致。如果一致，则认为该线程已经拥有锁，直接执行同步块中的代码，无需进行任何同步操作。

3.2 偏向锁的获取和释放

获取：
1. 检查对象头的Mark Word中偏向锁标志是否为1，以及线程ID是否与当前线程ID一致。
2. 如果都满足，则认为该线程已经拥有锁，直接执行同步块中的代码。
3. 如果不满足，则尝试使用CAS操作将对象头的Mark Word中的线程ID设置为当前线程ID。
  - 如果CAS操作成功，则认为该线程获取了锁，执行同步块中的代码。
  - 如果CAS操作失败，则说明有其他线程正在竞争该锁，偏向锁失效，升级为轻量级锁。
释放：
偏向锁的释放是一种延迟释放的机制。当线程退出同步块时，并不会立即将对象头的Mark Word中的线程ID清除，而是继续保持偏向状态。只有当有其他线程尝试获取该锁时，才会触发偏向锁的撤销。

3.3 偏向锁的撤销

偏向锁的撤销发生在以下两种情况：

当有其他线程尝试获取该锁时。
当调用了对象的hashCode()方法时。 （因为hashCode()需要将对象头作为参数计算，偏向锁存在时对象头存储的是线程id，所以需要撤销偏向锁）

撤销过程：

暂停持有偏向锁的线程（如果该线程仍然存活）。
遍历持有偏向锁的线程的栈帧，检查该线程是否仍然持有该锁。
如果该线程仍然持有该锁，则将对象头的Mark Word重置为无锁状态或轻量级锁状态。
唤醒等待获取锁的线程。

3.4 偏向锁的代码示例

public class BiasedLockExample {

    static Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 预热：让JVM充分启动
        Thread.sleep(5000);

        Runnable task = () -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired the lock.");
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released the lock.");
            }
        };

        Thread t1 = new Thread(task, "Thread-1");
        Thread t2 = new Thread(task, "Thread-2");

        t1.start();
        Thread.sleep(10); // 确保t1先获取锁

        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();
    }
}

在这个例子中，如果JVM启用了偏向锁（默认启用），那么Thread-1在第一次获取锁时会获得偏向锁。后续Thread-1再次获取锁时，可以直接执行同步块中的代码，而无需进行任何同步操作。当Thread-2尝试获取锁时，会触发偏向锁的撤销，升级为轻量级锁。

3.5 偏向锁的适用场景

偏向锁适用于只有一个线程访问共享资源的场景。例如，在单线程的GUI程序中，所有事件处理都在同一个线程中执行，可以使用偏向锁来避免不必要的锁竞争。

4. 轻量级锁：CAS登场

当有多个线程交替访问共享资源时，偏向锁不再适用，这时会升级为轻量级锁。轻量级锁的思想是：认为锁竞争的概率比较小，所以尽量避免使用互斥量（Mutex）来阻塞线程。 它使用CAS（Compare and Swap）操作来尝试获取锁，如果CAS操作成功，则认为该线程获取了锁；如果CAS操作失败，则说明有其他线程正在竞争该锁，当前线程会进行自旋等待，直到获取锁为止。

4.1 轻量级锁的原理

当一个线程尝试获取锁时，会执行以下步骤：

在当前线程的栈帧中创建一个锁记录（Lock Record），用于存储对象头的Mark Word的副本。
使用CAS操作尝试将对象头的Mark Word替换为指向锁记录的指针。
- 如果CAS操作成功，则认为该线程获取了锁，执行同步块中的代码。
- 如果CAS操作失败，则说明有其他线程正在竞争该锁，当前线程会进行自旋等待，不断尝试CAS操作，直到获取锁为止。

4.2 轻量级锁的获取和释放

获取：
1. 在当前线程的栈帧中创建一个锁记录（Lock Record）。
2. 将对象头的Mark Word复制到锁记录中。
3. 使用CAS操作尝试将对象头的Mark Word替换为指向锁记录的指针。
  - 如果CAS操作成功，则认为该线程获取了锁。
  - 如果CAS操作失败，则说明有其他线程正在竞争该锁，当前线程会进行自旋等待，直到获取锁为止。
释放：
1. 使用CAS操作尝试将对象头的Mark Word替换为锁记录中存储的Mark Word副本。
  - 如果CAS操作成功，则认为该线程释放了锁。
  - 如果CAS操作失败，则说明有其他线程在获取锁时修改了对象头的Mark Word，需要唤醒等待获取锁的线程。

4.3 轻量级锁的自旋

当CAS操作失败时，线程不会立即阻塞，而是会进行自旋等待。自旋是指线程不断地循环尝试CAS操作，直到获取锁为止。自旋可以避免线程阻塞和唤醒的开销，提高并发性能。但是，如果自旋时间过长，会消耗大量的CPU资源。因此，JVM会限制自旋的次数或时间。

4.4 轻量级锁的代码示例

public class LightweightLockExample {

    static Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable task = () -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired the lock.");
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released the lock.");
            }
        };

        Thread t1 = new Thread(task, "Thread-1");
        Thread t2 = new Thread(task, "Thread-2");

        t1.start();
        Thread.sleep(10); // 确保t1先获取锁

        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();
    }
}

在这个例子中，当Thread-1获取锁后，Thread-2尝试获取锁时，会进入自旋等待状态。如果自旋一定次数后仍然无法获取锁，则会升级为重量级锁。

4.5 轻量级锁的适用场景

轻量级锁适用于多个线程交替访问共享资源的场景。例如，在读多写少的场景中，可以使用轻量级锁来避免不必要的线程阻塞。

5. 重量级锁：排队等待

当多个线程同时竞争共享资源，并且自旋等待的时间超过一定限制时，轻量级锁会升级为重量级锁。重量级锁使用互斥量（Mutex）来实现线程的同步。当一个线程尝试获取锁时，如果锁已经被其他线程持有，则该线程会被阻塞并放入等待队列中。当持有锁的线程释放锁时，会唤醒等待队列中的一个线程，让其获取锁并执行同步块中的代码。

5.1 重量级锁的原理

重量级锁的实现依赖于操作系统的互斥量（Mutex）。互斥量是一种用于控制多个线程对共享资源访问的同步机制。当一个线程尝试获取互斥量时，如果互斥量已经被其他线程持有，则该线程会被阻塞并放入等待队列中。当持有互斥量的线程释放互斥量时，会唤醒等待队列中的一个线程，让其获取互斥量并执行同步块中的代码。

5.2 重量级锁的获取和释放

获取：
1. 尝试获取互斥量。
  - 如果互斥量未被持有，则获取互斥量，执行同步块中的代码。
  - 如果互斥量已经被其他线程持有，则将当前线程阻塞并放入等待队列中。
释放：
1. 释放互斥量。
2. 唤醒等待队列中的一个线程。

5.3 重量级锁的代码示例

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class HeavyweightLockExample {

    static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable task = () -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired the lock.");
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released the lock.");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        };

        Thread t1 = new Thread(task, "Thread-1");
        Thread t2 = new Thread(task, "Thread-2");
        Thread t3 = new Thread(task, "Thread-3");

        t1.start();
        Thread.sleep(10);
        t2.start();
        Thread.sleep(10);
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();
    }
}

在这个例子中，ReentrantLock是一个典型的重量级锁。当多个线程同时竞争锁时，只有一个线程能够获取锁，其他线程会被阻塞并放入等待队列中。

5.4 重量级锁的适用场景

重量级锁适用于多个线程同时竞争共享资源的场景。例如，在高并发的Web服务器中，多个线程需要同时访问数据库，可以使用重量级锁来保证数据的一致性。

6. 锁升级的过程

锁升级是一个动态的过程，它会根据实际的竞争情况进行调整。锁升级的过程如下：

初始状态： 无锁状态。
偏向锁： 当第一个线程访问同步块时，升级为偏向锁。
轻量级锁： 当有其他线程尝试获取锁时，偏向锁失效，升级为轻量级锁。
重量级锁： 当自旋等待的时间超过一定限制时，轻量级锁升级为重量级锁。

可以用表格来总结锁的状态转换:

状态	适用场景	优点	缺点
无锁	无竞争	无额外开销	存在线程安全问题
偏向锁	单线程访问	消除单线程环境下不必要的锁竞争，性能最高	适用于单线程场景，如果出现其他线程竞争，需要撤销偏向锁，开销较大，且引入了偏向锁的延迟撤销带来的复杂性。
轻量级锁	线程交替访问，竞争不激烈	避免线程阻塞，通过CAS操作提高并发性能	如果CAS操作失败，线程会进行自旋等待，消耗CPU资源。适用于竞争不激烈的场景，如果竞争激烈，自旋会浪费大量CPU资源，且最终仍可能升级为重量级锁。
重量级锁	线程同时访问，竞争激烈	保证数据的一致性，适用于高并发场景	线程会被阻塞并放入等待队列中，上下文切换开销较大，性能较低。

7. 锁优化策略

了解锁升级过程后，我们可以采取一些策略来优化锁的使用，提高并发性能：

减少锁的持有时间： 尽量将锁的范围缩小到最小，避免在同步块中执行耗时的操作。
使用读写锁： 在读多写少的场景中，可以使用读写锁来提高并发性能。读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。
使用并发容器： Java提供了许多并发容器，例如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等，这些容器内部已经实现了线程安全，可以直接使用，避免手动加锁。
避免死锁： 死锁是指多个线程互相等待对方释放锁，导致所有线程都无法继续执行。要避免死锁，需要保证线程获取锁的顺序一致，避免循环等待。
使用无锁数据结构： 在某些场景下，可以使用无锁数据结构来避免锁竞争。例如，可以使用AtomicInteger来实现原子计数器。
根据实际情况选择合适的锁策略： 如果确定只有一个线程会访问共享资源，可以使用偏向锁。如果多个线程交替访问共享资源，可以使用轻量级锁。如果多个线程同时竞争共享资源，可以使用重量级锁。

8. 总结：锁升级是性能优化的关键

Java的锁升级机制是一种动态的优化策略，它会根据实际的竞争情况自动调整锁的状态，从而提高并发性能。理解锁升级的过程对于编写高性能的并发程序至关重要。通过合理地选择锁策略、减少锁的持有时间、使用并发容器等方式，可以最大限度地发挥锁的优势，避免锁带来的性能瓶颈。

希望今天的讲解能帮助大家更好地理解Java并发编程中的锁升级过程。谢谢大家！

Java并发编程中的锁升级过程：从偏向锁到重量级锁的转变

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