简单理解重量级锁、轻量级锁、偏向锁

article/2025/10/21 13:07:07

全文使用synchronized来说明。
synchronized给对象上锁，先上偏向锁，在上轻量级锁，最后上重量级锁。上什么锁，是jvm根据竞争程度自行变换的。

重量级锁

计算机操作系统本有Monitor对象，称为管程。在java里面看不到此对象。
每个Java对象都可以关联一个monitor对象，如果使用了synchronized给对象上重量级锁后，该对象的Mark word就被设置指向monitor对象的指针。

Monitor对象结构

在这里插入图片描述

WaitSet:是线程等待队列。状态为WAITING
EntryList:线程阻塞队列.状态为BLOCKED
Owner:正在执行的线程（可能很多线程竞争一个资源，但只有一个线程能够成功，此时Owner就置为此线程）

原理

新建的对象，此时Mark Word关联一个Monitor对象（即Mark Word记录一个monitor对象的地址）。此时Monitor对象里面的Owner为null.
因为还没有线程去获得Monitor锁。
多个线程竞争，只有线程1成功。其他进入阻塞队列。（或者说，只要owner非空，那么其他线程就要进入阻塞队列）
当线程1执行完毕后，通知阻塞队列里的线程，引起它们的非公平性竞争。
若此时Owner线程调用wait方法，那么会进入WaitSet。
当被唤醒时（如调用notify()）会进入EntryList重新竞争。

轻量级锁

如果一个对象虽然有多线程访问，但多线程访问的时间是错开的（或者说没有竞争）的话，可以使用轻量级锁来优化。
当有竞争时，会发生锁膨胀，变为重量级锁，

java 对象头

以32为虚拟机为例
普通对象是：
在这里插入图片描述

Klass Word:是一个指针，通过他可以知道是个啥类对象
Mark Word:

如 Normal ，即没有上锁，末尾两位是01；轻量级锁是00
下面用Hashcode age Bias 01 代替最初的Mark Word

原理

在这里插入图片描述
每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以保存锁对象的Mark Word

当线程执行到临界区代码时，对obj上锁。让锁记录中的Object reference 指向锁对象，并尝试用cas替换Object的Mark Word,将 Mark Word的值存入锁记录。
- cas替换成功：那么Object对象就会存储锁记录状态00和地址，表示由该线程给对象加锁。当Mark Word末尾是01时，才可以替换成功
- cas替换失败
  - case 1：其他线程已经持有了改Object的轻量级锁，表明有竞争，进入锁膨胀过程
  - case 2：自己执行synchronized锁重入，再添加一条Lock Record作为重入的计数
    
    此时进行cas操作自然会失败。
    最后再讲锁膨胀。
- 解锁
  - 当Lock Record 记录里面存在null,说明存在重进入，这时重置锁记录，表示重进入计数减一
  - 锁记录不为空,这时用cas操作把锁记录里面保存的Mark Word替换给对象头
    - 成功则解锁成功
    - 失败说明进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁的解锁流程。

锁膨胀

在尝试加轻量级锁的过程中，CAS操作无法成功，一个原因就是有其他线程为此对象加上了轻量级锁，这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。
如线程1持有object的锁，这时线程2也想要，但进行cas操作失败，这时候会发生：

为object对象申请Monitor锁，让object指向重量级锁地址（此时后两位为10，即重量级锁）
然后线程2进入Monitor的EntryList阻塞

当线程1执行完后，想要退出临界区，使用cas将Mark Word的值替换给对象头，但是会失败。因为object的Mark Word后两位变为10，已经不再是00了。
这时按照Monitor地址找到monitor对象，设置Owner为null，再唤醒线程2.

偏向锁

如果只有一个线程，它多次重进入，那会多次建立空的锁记录，作为锁重入的计数。
因此，java 6中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用CAS将线程ID设置到对象的Mark Word，之后只要发现这个线程ID是自己的就表示没有发生竞争，不用重新CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有。
当线程请求到锁对象后，将锁对象的状态标志位改为01，即偏向模式。然后使用CAS操作将线程的ID记录在锁对象的Mark Word中。以后该线程可以直接进入同步块，连CAS操作都不需要。但是，一旦有第二条线程需要竞争锁，那么偏向模式立即结束，进入轻量级锁的状态。
在这里插入图片描述