背景
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偏向锁-轻量级锁-重量级锁，定义，区别，适用场景
在Java中，锁的实现经历了从重量级锁到轻量级锁再到偏向锁的优化过程。这些锁机制旨在提高多线程环境下的性能，减少线程竞争和上下文切换的开销。以下是偏向锁、轻量级锁和重量级锁的定义、区别以及使用场景的详细解释。
1. 偏向锁 (Biased Locking)
定义：
- 偏向锁是一种优化的锁机制，适用于只有一个线程访问同步块的场景。它允许线程在第一次获取锁时，将对象头的Mark Word标记为偏向该线程。之后，该线程再次访问该对象时，无需进行额外的锁操作，直接进入同步块。
- 偏向锁的核心思想是：如果一个对象在多线程环境中总是由同一个线程访问，那么可以将锁偏向该线程，避免频繁的加锁和解锁操作，从而提高性能。
工作原理：
- 初始状态：对象处于无锁状态，Mark Word存储哈希码等信息。
- 偏向锁获取：当第一个线程尝试获取锁时，JVM会检查对象是否已被其他线程偏向。如果没有，则将锁偏向当前线程，并在Mark Word中记录线程ID。
- 偏向锁持有：如果后续的同步操作仍然是由同一个线程发起的，JVM只需检查Mark Word中的线程ID是否匹配，匹配则直接进入同步块，无需进行CAS操作或阻塞。
- 偏向锁撤销：如果有其他线程尝试获取同一对象的锁，JVM会撤销偏向锁，升级为轻量级锁或重量级锁。撤销操作涉及恢复Mark Word的原始状态，并通知所有等待的线程。
使用场景：
- 单线程访问：当一个对象几乎总是由同一个线程访问时，偏向锁可以显著提高性能。例如，某些缓存对象或局部变量可能只被一个线程使用。
- 低竞争场景：在竞争不激烈的情况下，偏向锁可以减少锁的开销，避免频繁的锁争用。
优点：
- 减少锁的开销：偏向锁避免了频繁的加锁和解锁操作，减少了CAS操作和上下文切换的开销。
- 提高性能：在单线程或低竞争场景下，偏向锁可以显著提升性能。
缺点：
- 不适合高竞争场景：如果多个线程频繁竞争同一对象的锁，偏向锁的撤销操作可能会带来额外的开销。
- JVM默认启用：偏向锁是JVM的默认行为，但可以通过
-XX:-UseBiasedLocking禁用。
2. 轻量级锁 (Lightweight Locking)
定义：
- 轻量级锁是一种基于CAS（Compare-And-Swap）操作的锁机制，适用于多个线程偶尔竞争同一对象的场景。它通过在对象头的Mark Word中存储指向栈中锁记录的指针来实现锁的状态管理。
- 轻量级锁的核心思想是：在没有竞争的情况下，使用CAS操作来快速获取锁，避免线程阻塞；在有竞争的情况下，升级为重量级锁。
工作原理：
- 初始状态：对象处于无锁状态，Mark Word存储哈希码等信息。
- 轻量级锁获取：当第一个线程尝试获取锁时，JVM会通过CAS操作将Mark Word更新为指向栈中锁记录的指针。如果CAS成功，线程获得锁并继续执行。
- 轻量级锁持有：如果后续的同步操作仍然是由同一个线程发起的，JVM只需检查Mark Word中的指针是否指向当前线程的锁记录，匹配则直接进入同步块。
- 轻量级锁竞争：如果有其他线程尝试获取同一对象的锁，JVM会检测到锁已经被占用，此时会尝试自旋（Spin Lock），即在一个短时间内的循环中不断尝试获取锁。如果自旋成功，线程获得锁；如果自旋失败，锁会升级为重量级锁，线程被阻塞。
使用场景：
- 偶发性竞争：当多个线程偶尔竞争同一对象的锁时，轻量级锁可以减少线程阻塞的开销，提高性能。例如，某些共享资源的访问频率较低，或者多个线程交替访问不同对象的锁。
- 短时间同步：轻量级锁适用于同步块较短的场景，因为自旋操作的时间有限，适合快速获取锁的情况。
优点：
- 减少线程阻塞：轻量级锁通过自旋操作减少了线程阻塞的可能性，适用于偶发性竞争的场景。
- 提高性能：在没有竞争的情况下，轻量级锁的性能优于重量级锁，因为它避免了线程的上下文切换。
缺点：
- 不适合长时间同步：如果同步块较长，自旋操作可能会浪费CPU资源，导致性能下降。
- 不适合高竞争场景：如果多个线程频繁竞争同一对象的锁，轻量级锁会频繁升级为重量级锁，增加开销。
3. 重量级锁 (Heavyweight Locking)
定义：
- 重量级锁是传统的锁机制，基于操作系统级别的线程调度和阻塞。它通过Monitor对象来管理锁的状态，包含一个等待队列，用于管理等待获取锁的线程。重量级锁的核心思想是：当多个线程竞争同一对象的锁时，未能获取锁的线程会被阻塞，直到持有锁的线程释放锁。
- 重量级锁适用于高竞争场景，但它会导致线程上下文切换，性能较低。
工作原理：
- 初始状态：对象处于无锁状态，Mark Word存储哈希码等信息。
- 重量级锁获取：当第一个线程尝试获取锁时，JVM会将Mark Word更新为指向Monitor对象的指针。Monitor对象包含一个等待队列，用于管理等待获取锁的线程。
- 重量级锁持有：持有锁的线程可以继续执行同步块，而其他线程会被阻塞，进入等待队列。
- 重量级锁释放：当持有锁的线程退出同步块时，它会释放锁，并唤醒等待队列中的一个线程。被唤醒的线程重新尝试获取锁，成功后继续执行。
使用场景：
- 高竞争场景：当多个线程频繁竞争同一对象的锁时，重量级锁可以确保线程的安全性，虽然性能较低，但它保证了线程不会出现竞态条件。
- 长时间同步：重量级锁适用于同步块较长的场景，因为它可以有效地管理线程的阻塞和唤醒。
优点：
- 安全性高：重量级锁确保了线程的安全性，防止多个线程同时访问共享资源。
- 适用于高竞争场景：在多个线程频繁竞争同一对象的锁时，重量级锁可以有效管理线程的阻塞和唤醒。
缺点：
- 性能较低：重量级锁会导致线程上下文切换，增加了系统的开销，尤其是在高竞争场景下，性能较差。
- 不适合短时间同步：对于同步块较短的场景，重量级锁的开销较大，不如轻量级锁或偏向锁高效。
4. 锁的升级机制
为了优化锁的性能，JVM引入了锁的升级机制。锁的状态会根据竞争情况从无锁状态逐步升级到重量级锁：
- 无锁状态：对象未被锁定，Mark Word存储哈希码等信息。
- 偏向锁：如果只有一个线程访问对象，JVM会将锁偏向该线程，减少锁的竞争。
- 轻量级锁：如果有多个线程偶尔竞争同一对象的锁，JVM会将锁升级为轻量级锁，使用CAS操作来减少线程阻塞。
- 重量级锁：如果多个线程频繁竞争同一对象的锁，JVM会将锁升级为重量级锁，导致线程阻塞，性能较低。
5. 总结
| 锁类型 | 定义 | 使用场景 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|
| 偏向锁 | 适用于单线程或低竞争场景，将锁偏向某个特定线程 | 单线程访问、低竞争场景 | 减少锁的开销，提高性能 | 不适合高竞争场景，撤销操作带来额外开销 |
| 轻量级锁 | 基于CAS操作的锁机制，适用于偶发性竞争场景 | 偶发性竞争、短时间同步 | 减少线程阻塞，适用于短时间同步 | 不适合长时间同步，自旋操作浪费CPU资源 |
| 重量级锁 | 传统的锁机制，基于操作系统级别的线程调度和阻塞 | 高竞争场景、长时间同步 | 确保线程的安全性，适用于高竞争场景 | 性能较低，导致线程上下文切换 |
6. 选择合适的锁机制
- 单线程或低竞争场景：使用偏向锁可以显著提高性能，减少锁的开销。
- 偶发性竞争场景：使用轻量级锁可以减少线程阻塞，适用于短时间同步。
- 高竞争场景：使用重量级锁可以确保线程的安全性，虽然性能较低，但在高竞争场景下是必要的。
通过理解这些锁机制的区别和适用场景，你可以更好地选择合适的锁策略，编写更高效、更安全的多线程代码。
