锁是多线程软件开发的必要工具之一,它的基本作用是保护临界资源不会被多个线程同时访问而受到破坏。如果由于多线程访问造成对象数据的不一致,那么系统运行将会得到错误的结果。通过锁,可以让多个线程排队,一个一个地进入临界区访问目标对象,使目标对象的状态总是保持一致,这也就是锁存在的价值。
java中,锁的优化策略分为偏向锁、轻量级锁、自旋锁、锁消除、锁膨胀
偏向锁
偏向锁是jdk1.6提出的一种锁优化。核心思想是,如果程序没有竞争,则取消之前已经取得锁的线程的同步操作。也就是说,若锁被线程获取后,便进入偏向模式,当线程再次请求这个锁时,无需再进行相关的同步操作,从而节省了操作时间。如果在此之间有其他线程进行了锁请求,则锁退出偏向模式。在jvm中使用-XX:+UseBiasedLocking可以设置启用偏向锁(一般是默认开启)。也可以配合BiasedLockingStartupDelay来设置启动偏向锁在虚拟机启动多久后开启。
当对象处于偏向锁模式时,对象头的MarkWord最后三位是101。
轻量级锁
如果偏向锁失败,java虚拟机会让线程申请轻量级锁。轻量级锁在虚拟机内部使用一个成为BasicObjectLock的对象实现,,这个对象内部由一个BasicLock对象和一个持有该锁的Java对象指针组成。BasicObjectLock对象放置在Java栈的栈帧中。在BasicLock对象内部还维护着displaced_header字段,它用于备份对象头部的Mark Word。
由于BasicObjectLock对象在线程栈中,因此该指针必然指向持有该锁的线程栈空间。当需要判断某一线程是否持有该对象锁,只需简单地判断对象头的指针是否在当前线程的栈地址范围内即可。同时,BasicLock对象的displaced_header字段备份了原对象的MarkWord内容。BasicObjectLock对象的obj字段则指向该对象。
首先,BasicLock通过set_displaced_header()方法备份了原对象的MarkWord。接着,使用CAS操作,尝试将BasicLock的地址复制到对象头的Mark Word,如果复制成功,那么加锁成功,否则认为加锁失败。如果加锁失败,那么轻量级锁就有可能被膨胀为重量级锁。
当对象处于轻量级锁定时,其Mark Word的最后两位为00,此时它指向存放在获得锁的线程栈中的该对象真实对象头。
锁膨胀
当锁由轻量级锁膨胀为重量级锁后,对象的Mark Word最后两位是10.整个Mark Word表示指向monitor对象的指针。
重量级锁是依赖对象内部的monitor锁来实现的,而monitor又依赖操作系统的MutexLock(互斥锁)来实现的,所以重量级锁也被成为互斥锁。
当轻量级所经过锁撤销等步骤升级为重量级锁之后,它的Markword部分数据大体如下
自旋锁
锁消除
锁消除是java虚拟机在JIT编译时,通过对运行上下文的扫描(逃逸分析?),去除不可能存在共享资源竞争的锁。通过锁消除,可以节省毫无意义的请求锁时间。