偏向锁、轻量级锁、重量级锁的升级过程：JVM底层锁机制的动态优化 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

JVM底层锁机制的动态优化：偏向锁、轻量级锁、重量级锁的升级过程

各位听众，大家好！今天我们来聊聊Java虚拟机（JVM）中锁机制的动态优化。在并发编程中，锁是保证数据一致性的重要手段。为了提升性能，JVM并非简单地使用一种锁，而是采用了多种锁机制，并根据实际情况动态地进行升级，这就是我们今天要讨论的偏向锁、轻量级锁和重量级锁。

一、锁的分类及设计目标

在深入锁的升级过程之前，我们先简单了解一下锁的分类和JVM锁的设计目标。

乐观锁与悲观锁：
- 悲观锁：总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁。Java中synchronized和ReentrantLock等独占锁就是悲观锁思想的实现。
- 乐观锁：总是假设最好的情况，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据。可以使用版本号机制和CAS算法实现。
共享锁与独占锁：
- 共享锁：允许多个线程同时持有同一个锁。例如，ReentrantReadWriteLock中的读锁就是共享锁。
- 独占锁：一次只能被一个线程持有。例如，synchronized和ReentrantLock等。
公平锁与非公平锁：
- 公平锁：按照线程请求锁的顺序获得锁。
- 非公平锁：允许线程“插队”，即新来的线程可能比等待中的线程更快获得锁。
可重入锁：
- 可重入锁：允许持有锁的线程再次进入被该锁保护的同步代码块。synchronized和ReentrantLock都是可重入锁。

JVM锁的设计目标是在不同的并发场景下，尽量减少锁的开销，提高程序的性能。因此，JVM采用了锁升级的策略。

二、偏向锁（Biased Locking）

偏向锁是JDK 1.6引入的一种锁优化机制，它的设计思想是：在没有竞争的情况下，总是由同一个线程持有锁，避免执行不必要的CAS操作。

偏向锁的获取过程：
- 当一个线程第一次访问一个同步块时，JVM会在对象头中记录下当前线程的ID，并将偏向锁标志位设置为1。
- 以后该线程再次进入这个同步块时，不需要进行任何同步操作，直接可以进入。
- 如果另一个线程尝试获取这个锁，偏向锁会升级为轻量级锁。
偏向锁的撤销：
- 当有其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程会被暂停。
- JVM会检查持有偏向锁的线程是否还在执行同步代码块。
- 如果还在执行，则将对象头的偏向锁标志位设置为0，并将锁升级为轻量级锁。
- 如果已经执行完毕，则将对象头设置为无锁状态，让其他线程竞争。
偏向锁的优缺点：
- 优点：在单线程环境下，几乎没有额外的开销。
- 缺点：在线程竞争激烈的情况下，偏向锁的撤销会带来额外的开销。
偏向锁的开启与关闭：
- 偏向锁在JDK 1.6及以后的版本中默认是开启的。
- 可以通过JVM参数-XX:-UseBiasedLocking来关闭偏向锁。
代码示例：

public class BiasedLockExample {
    static Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable task = () -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " entered synchronized block");
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " exiting synchronized block");
            }
        };

        Thread thread1 = new Thread(task, "Thread-1");
        Thread thread2 = new Thread(task, "Thread-2");

        thread1.start();
        Thread.sleep(10); // 确保thread1先获取锁
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();
    }
}

在这个例子中，如果开启了偏向锁，Thread-1会首先获得偏向锁，后续进入同步块时不需要进行任何同步操作。当Thread-2尝试获取锁时，偏向锁会升级为轻量级锁。

三、轻量级锁（Lightweight Locking）

轻量级锁是在偏向锁失效的情况下使用的。它的设计思想是：在线程交替执行同步块的情况下，避免使用重量级锁带来的开销。

轻量级锁的获取过程：
- 线程在进入同步块之前，JVM会在当前线程的栈帧中创建一个锁记录（Lock Record）空间，用于存储锁的信息。
- 将对象头的Mark Word复制到锁记录中。
- 尝试使用CAS操作将对象头的Mark Word替换为指向锁记录的指针。
- 如果CAS操作成功，则线程获得锁。
- 如果CAS操作失败，则说明有其他线程正在竞争锁，此时轻量级锁会膨胀为重量级锁。
轻量级锁的释放过程：
- 使用CAS操作将对象头的Mark Word替换为锁记录中保存的原始Mark Word。
- 如果CAS操作成功，则释放锁。
- 如果CAS操作失败，则说明在释放锁的过程中，有其他线程尝试获取锁，此时需要唤醒等待的线程。
轻量级锁的优缺点：
- 优点：在线程交替执行同步块的情况下，性能较好。
- 缺点：如果线程竞争激烈，CAS操作会频繁失败，导致轻量级锁膨胀为重量级锁，反而会降低性能。
代码示例：

public class LightweightLockExample {
    static Object lock = new Object();
    static int counter = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable task = () -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                synchronized (lock) {
                    counter++;
                }
            }
        };

        Thread thread1 = new Thread(task, "Thread-1");
        Thread thread2 = new Thread(task, "Thread-2");

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println("Counter value: " + counter);
    }
}

在这个例子中，如果线程竞争不激烈，JVM会使用轻量级锁来保证counter的线程安全。如果线程竞争激烈，轻量级锁可能会膨胀为重量级锁。

四、重量级锁（Heavyweight Locking）

重量级锁是JVM中最重的锁，它的实现依赖于操作系统的互斥量（Mutex）。

重量级锁的获取过程：
- 当轻量级锁膨胀为重量级锁时，JVM会在对象头中记录下指向互斥量的指针。
- 线程尝试获取互斥量，如果获取成功，则线程获得锁。
- 如果获取失败，则线程会被阻塞，直到持有锁的线程释放锁。
重量级锁的释放过程：
- 持有锁的线程释放互斥量，唤醒等待的线程。
重量级锁的优缺点：
- 优点：在线程竞争激烈的情况下，能够保证线程的安全。
- 缺点：线程阻塞和唤醒会带来较大的开销。
代码示例：

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class HeavyweightLockExample {
    static Lock lock = new ReentrantLock();
    static int counter = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable task = () -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                lock.lock();
                try {
                    counter++;
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        };

        Thread thread1 = new Thread(task, "Thread-1");
        Thread thread2 = new Thread(task, "Thread-2");

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println("Counter value: " + counter);
    }
}

在这个例子中，ReentrantLock底层使用了AQS（AbstractQueuedSynchronizer），当线程竞争激烈时，线程会被阻塞，直到获得锁。

五、锁升级的过程

锁的升级过程是一个动态优化的过程，JVM会根据实际情况选择合适的锁。

锁类型	适用场景	开销	升级条件
偏向锁	单线程访问同步块	极小	其他线程尝试获取锁
轻量级锁	线程交替执行同步块，线程竞争不激烈	较小	CAS操作失败，即有其他线程正在竞争锁
重量级锁	线程竞争激烈，多个线程同时访问同步块	较大	轻量级锁CAS操作频繁失败，达到一定次数后

锁升级的整体流程如下：

初始状态，对象头处于无锁状态。
当第一个线程访问同步块时，JVM尝试将对象头设置为偏向锁，并将线程ID记录在对象头中。
如果另一个线程尝试获取偏向锁，偏向锁会升级为轻量级锁。
线程尝试使用CAS操作将对象头替换为指向锁记录的指针。
如果CAS操作失败，说明线程竞争激烈，轻量级锁会膨胀为重量级锁。
线程会被阻塞，直到获得锁。

六、锁消除与锁粗化

除了锁升级之外，JVM还提供了锁消除和锁粗化两种优化技术。

锁消除（Lock Elimination）：
- 锁消除是指JVM在编译时，如果发现某些锁是不必要的，就会将这些锁消除掉。
- 例如，如果一个对象只被一个线程访问，那么对这个对象加锁是没有意义的。
锁粗化（Lock Coarsening）：
- 锁粗化是指JVM将多个连续的加锁、解锁操作合并成一个更大的锁操作。
- 例如，如果一个循环中多次对同一个对象加锁、解锁，JVM可以将这些操作合并成一个在循环外部的加锁、解锁操作。

七、选择合适的锁策略

选择合适的锁策略是优化并发程序性能的关键。

如果程序是单线程的，或者线程之间没有竞争，则不需要使用锁。
如果线程竞争不激烈，可以使用偏向锁或轻量级锁。
如果线程竞争激烈，必须使用重量级锁。
在某些情况下，可以使用乐观锁来代替悲观锁，以提高性能。
合理使用锁消除和锁粗化可以减少锁的开销。

八、AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

AQS是构建锁和其他同步组件的基础框架。它提供了一种通用的机制来管理同步状态、线程阻塞和唤醒等操作。ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore等都是基于AQS实现的。AQS的核心思想是使用一个volatile int state变量来表示同步状态，通过CAS操作来修改状态，并通过一个FIFO队列来管理等待的线程。

九、优化锁的使用：一些建议

尽量减少锁的持有时间：只在必要的时候加锁，尽快释放锁。
使用更细粒度的锁：将一个大的锁拆分成多个小的锁，可以减少线程竞争。
使用读写锁分离：如果读操作远多于写操作，可以使用ReentrantReadWriteLock来提高性能。
避免死锁：避免多个线程互相等待对方释放锁。
使用线程池：线程池可以避免频繁创建和销毁线程的开销。

总结：动态优化，提升并发性能

JVM的锁机制是一个动态优化的过程。通过偏向锁、轻量级锁和重量级锁的升级，JVM能够在不同的并发场景下选择合适的锁，从而减少锁的开销，提高程序的性能。理解锁的升级过程，以及锁消除、锁粗化等优化技术，能够帮助我们编写更高效的并发程序。

希望今天的讲座对大家有所帮助，谢谢！