偏向锁、轻量级锁、重量级锁

1、为啥要把这个放到一起比。

• 因为这几个都是Synchronized内部的锁，由轻到重，逐渐膨胀。就像勇士斗魔王，一定最开始上来是杂兵、小怪、大怪最后才是魔王。
• 加锁是因为多个线程竞争临界资源，只有一个线程竞争、两个线程去竞争、n多个线程竞争的激烈程度是不同的。竞争越激烈的情况下，获取锁的代价越大，所以为了减少性能消耗，jvm根据不同竞争情况，将锁分为偏向锁、轻量级锁、重量级锁。

2、Mard Word

Synchronized锁的那个对象。java对象头的Mark Word中存储了HashCode、分代年龄、锁状态等信息，

3、栈帧

方法执行时，在jvm的栈中会创建一个栈帧用来存储局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。方法从调用到执行完成，就是栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。（所以代码块中的局部变量可以实现入栈创建，出栈销毁）

线程中的许多方法同时处于执行状态，对执行引擎来说，活动线程中，栈顶的栈帧才是有效的，称为当前栈帧，与这个栈帧关联的方法称为当前方法。

4、偏向锁

• HotSpot认为绝大部分情况，锁不存在竞争关系，也就是大部分情况就一个线程持有该同步代码块。为了减少互斥锁的代价。整了个偏向锁。
• 偏向锁就是，把markWord中的线程ID标记为当前线程Id，就加锁陈工了。
• 先读取Synchronized锁住的对象，检查锁偏向状态和锁标志位看是否可处于偏向状态。
  • 如果可偏向，就用CAS操作把线程id写到MarkWord当中，如果CAS操作成功则是获取锁成功，执行同步代码块。如果CAS操作失败，说明其他线程在竞争，并取到了偏向锁，那么等到全局安全点（GC运行之前所有线程都要在安全点则色，这个GC过程会触发STW），将偏向状态位设为0。验证已获取锁的线程是否存活，如果死了就把锁恢复到无锁状态，重新加锁。如果存活就把锁标记升级为轻量级锁。
  • 如果不可偏向的，先验证markword的中的线程id是不是当前线程，如果是就执行，如果不是，等待安全点，验证是否需要升级为轻量级锁。
• 在无竞争切之后一个线程使用锁的情况下，我就用这玩意最最省性能。偏向锁只是在初始化的时候用一次CAS，轻量级锁，自旋用很多次CAS.每次申请、释放锁都至少需要一次CAS.
• 偏向锁假定将来只有第一个申请锁的线程会使用锁，因此只需要再Mark word中用cas记录 当前线程的id。.如果记录成功则偏向锁获取成功，是否偏向锁位设置为1。以后再进来获取这个同步代码块的线程等于记录的线程id，就直接进，就相当于0成本拿锁。进来的不是这个线程，那么说明有其它线程会和你竞争。则膨胀为轻量级锁。
• 偏向锁的锁状态在线程结束后，不会被设置为无锁状态，只有在新线程来获取锁的时候``，在安全点设置为无锁状态或者升级为轻量级锁。

5、轻量级锁

• 用了线程私有的LockRecord
• 采用自旋CAS来操作，又称自旋锁。相比重量级锁，代价较小，如果自旋超过10次（默认10次，可以改）还没拿到，就升级为重量级锁。
• 执行同步代码块之前，jvm在线程栈帧中创建一个存储锁记录的空间（Lock Record）,并将Mark Word拷贝复制到锁记录中(因为已经脱离了原始的Mark Word，官方以displaced 作为前缀，即Displaced Mark Word（置换标记字）) ，然后尝试通过CAS将MarkWord中的锁记录的指针，指向到新创建的LockRecord。如果成功便是获取锁状态成功，如果失败就自旋。

• CAS原理
  • 在主线程中有一个共享变量V，同时在各个子线程中有副本A。乐观锁就是，我先不管抢没抢到，算了再说，计算后的值为B。这个时候我才比较，A和V是否一样，如果一样就把B赋值给主线程的共享变量V。如果不一样，那么把V再赋值给A再计算一遍出B。再比对下V和A，如果不对再往复，如果对了，就B赋值给V。CAS机制中的这个步骤是原子性的（指令层面提供的原子操作），判断相等和赋值这两条指令原子性。所以CAS机制可以解决多线程并发编程对共享变量的原子性问题。当然实际不止比对值，还比对版本号。

6、重量级锁

• 重量级锁（线程间共享的Object Monitor）的加锁需要通过MutexLock(互斥锁)和condition variable （个人理解condition variable提供了wait和notify来阻塞线程）来实现的。

• 当轻量级锁膨胀到重量级锁之后，意味着线程只能被挂起阻塞来等待唤醒了。每一个对象中都有一个Monitor监视器，而Monitor依赖操作系统的 MutexLock(互斥锁)来实现的, 线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响锁的性能。

• monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处，JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。而且当一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁。我们可以简单的理解为，在加重量级锁的时候会执行monitorenter指令，解锁时会执行monitorexit指令。

• 重量级锁会让抢占锁的线程从用户态变为内核态（如上下文切换和中断处理），开销大。

  • 上下文切换：当一个线程获得锁并进入临界区执行时，其他等待该锁的线程会被挂起并保存在内核空间中，直到该线程释放锁。在这个过程中，操作系统需要在内核空间进行上下文切换，保存和恢复被挂起线程的现场信息，这需要消耗一定的计算资源和时间。
  • 中断处理：当锁被释放时，操作系统需要在内核空间处理中断，通知等待该锁的线程，并恢复其现场信息，让其重新进入用户态执行。这个过程中也需要进行上下文切换和调度操作。

7、总结

锁膨胀这个过程，只允许升级，不允许降级，即只能偏向锁升级为轻量级锁，轻量级锁升级为重量级锁，不能反过来重量级锁降级为轻量级锁。