Java中的偏向锁、轻量级锁与重量级锁详解

描述
Java中的synchronized关键字在JDK 1.6之后引入了锁升级机制，包括偏向锁、轻量级锁和重量级锁三种状态。这种设计是为了在保证线程安全的同时，减少锁操作带来的性能开销。锁会根据竞争情况从低到高逐步升级，优化多线程环境下的同步性能。

锁升级的背景与目的

1. 早期synchronized直接使用操作系统互斥锁（重量级锁），性能较差
2. 统计发现大部分锁在运行时不存在竞争或竞争程度很低
3. 锁升级机制通过延迟使用重量级锁来优化性能

对象头与锁状态

1. 每个Java对象在内存中分为三部分：对象头、实例数据、对齐填充
2. 对象头包含Mark Word（存储对象运行时数据）和类型指针
3. Mark Word在不同锁状态下会存储不同的内容：
   • 无锁状态：存储对象的hashCode、分代年龄等
   • 偏向锁：存储偏向线程ID、偏向时间戳等
   • 轻量级锁：指向栈中锁记录的指针
   • 重量级锁：指向互斥量（monitor）的指针

偏向锁（Biased Locking）

1. 设计目标：消除无竞争情况下的同步开销
2. 工作原理：
   • 第一个获取锁的线程会将线程ID写入对象头
   • 之后该线程再次获取锁时，只需检查线程ID是否匹配
   • 如果匹配，直接进入同步代码块，无需原子操作
3. 偏向锁的获取过程：
   • 检查对象头中是否存储了当前线程ID
   • 如果已存储，直接获得锁
   • 如果未存储，通过CAS操作尝试将线程ID写入对象头
4. 偏向锁的撤销：
   • 当其他线程尝试获取锁时，需要撤销偏向锁
   • 暂停拥有偏向锁的线程
   • 检查线程是否存活，如果已结束则直接允许新线程获取锁
   • 如果仍存活，升级为轻量级锁

轻量级锁（Lightweight Locking）

1. 适用场景：线程交替执行同步块，不存在真正竞争
2. 加锁过程：
   • 在当前线程的栈帧中创建锁记录（Lock Record）
   • 将对象头的Mark Word复制到锁记录中（Displaced Mark Word）
   • 使用CAS操作将对象头替换为指向锁记录的指针
   • 如果成功，获得锁；如果失败，表示存在竞争
3. 解锁过程：
   • 使用CAS操作将Displaced Mark Word替换回对象头
   • 如果成功，解锁完成；如果失败，表示存在竞争，需要膨胀为重量级锁
4. 自旋优化：
   • 在轻量级锁竞争失败后，线程不会立即阻塞
   • 而是进行有限次数的自旋（循环检查锁状态）
   • 如果自旋期间锁被释放，可以避免线程切换的开销

重量级锁（Heavyweight Locking）

1. 适用场景：存在真正的线程竞争
2. 实现机制：
   • 基于操作系统的互斥量（mutex）实现
   • 涉及线程的阻塞和唤醒，需要从用户态切换到内核态
3. 监视器（Monitor）结构：
   • 每个Java对象都与一个Monitor关联
   • Monitor包含多个重要组件：
     • _owner：指向持有锁的线程
     • _EntryList：等待锁的线程队列
     • _WaitSet：调用wait()方法的线程队列
4. 重量级锁的工作流程：
   • 线程尝试获取锁时，如果锁已被占用，进入EntryList等待
   • 当锁释放时，唤醒EntryList中的线程竞争锁
   • 被唤醒的线程需要重新竞争锁

锁升级的完整流程

1. 对象初始状态为无锁状态
2. 当第一个线程访问时，升级为偏向锁
3. 当第二个线程尝试获取锁时，撤销偏向锁，升级为轻量级锁
4. 如果轻量级锁竞争激烈（自旋失败），升级为重量级锁
5. 重量级锁不会降级，除非进行垃圾回收

性能对比与优化建议

1. 偏向锁：适用于单线程重复加锁的场景
2. 轻量级锁：适用于线程交替执行的场景
3. 重量级锁：适用于高并发竞争的场景
4. 优化建议：
   • 如果确定存在竞争，可以通过JVM参数禁用偏向锁（-XX:-UseBiasedLocking）
   • 合理控制同步块的大小，减少锁的持有时间
   • 考虑使用更细粒度的锁或并发容器

实际应用中的注意事项

1. 锁升级是JVM自动完成的，对开发者透明
2. 了解锁升级机制有助于编写更高效的并发代码
3. 在高度竞争的场景下，可以考虑使用ReentrantLock等更灵活的锁机制

这种锁升级机制体现了Java在并发性能优化上的精细设计，通过在适当的时候使用适当的锁级别，实现了性能与功能的平衡。