Java synchronized轻量级锁实现过程浅析

一、什么是轻量级锁

轻量级锁是JDK 6之中加入的新型锁机制，它名字中的“轻量级”是相对于使用monitor的传统锁而言的。轻量级锁指的是存在多线程竞争，但是任意时刻最多只允许一个线程竞争获得锁，即不存在锁竞争太过激烈的情况，轻量级锁情况下，线程不会发生阻塞。

二、为什么引入轻量级锁

轻量级锁考虑的是竞争锁对象的线程不多，而且线程持有锁的时间也不长的场景。因为阻塞线程需要CPU从用户态转到内核态，代价比较大，如果刚刚阻塞不久这个锁就被释放了，那这个代价就有点得不偿失了，因此这个时候就干脆不阻塞这个线程，让它自旋这等待锁的释放。

三、轻量级锁的升级时机

主要有两个：

1)、关闭偏向锁功能

使用 -XX:-UseBiasedLocking参数关闭偏向锁，此时默认进入轻量级锁；

2)、多个线程竞争偏向锁

偏向锁状态下，由于别的线程尝试竞争偏向锁，并且CAS更新MarkWord中线程ID失败，此时发生【偏向锁 -> 轻量级锁】升级；

举个例子：

1、线程A先获取到锁对象，线程B又过来尝试竞争这个锁，此时该锁已是偏向锁偏向线程A了；

2、线程B尝试执行CAS去替换锁对象MarkWord中线程ID，看下能不能获取到锁；

3、如果线程B的CAS成功了，说明此时线程A执行完了同步块代码，这个时候线程B会直接替换锁对象MarkWord中线程ID为自己的线程ID，该锁不会发生升级，还是处于偏向锁状态；

4、如果线程B的CAS失败了，说明线程A还没执行完同步块代码，这个时候，偏向锁就会升级为轻量级锁（偏向锁标识置为0，同步锁标识置为00），这个轻量级锁由原来持有偏向锁的线程A持有，继续执行同步代码，此时正在竞争的线程B会进入CAS自旋等待获取这个轻量级锁；

四、轻量级锁的演示

前面我们了解到，当关闭偏向锁功能的时候，默认获取的是轻量级锁。所以我们这里添加运行时参数 -XX:-UseBiasedLocking参数禁用偏向锁。

public class LightweightLockDemo01 {
    public static void main(String[] args) {
        // 关闭偏向锁，默认进入轻量级锁
        Object objLock = new Object();
        new Thread(() -> {
            synchronized (objLock) {
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objLock).toPrintable());
            }
        }, "t1").start();
    }
}

可以看到，对象头最后三位为“000”，表示当前获取的是一把轻量级锁。

五、轻量级锁的原理

轻量级锁的加锁

1)、JVM会在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝（官方称为Displaced Mark Word）。若一个线程获得锁时发现是轻量级锁，它会将对象的Mark Word复制到栈帧中的锁记录Lock Record中（Displaced Mark Word里面）；

2)、线程尝试利用CAS操作将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，如果成功表示当前线程竞争到锁，则将锁标志位变成00，执行同步操作；

3)、如果失败，表示MarkWord已经被替换成了其他线程的锁记录，说明在与其他线程抢占竞争锁，当前线程就尝试使用自旋来获取锁；

注意，JVM采用的是自适应自旋，也就是说，自适应意味着自旋的次数不是固定不变的，JVM会根据同一个锁上一次自旋的时间以及拥有锁线程的状态来决定到底需要自旋多少次。JVM针对那些很少会自旋成功的线程，那么下次会减少自旋的次数甚至压根不自旋，避免CPU空转。

轻量级锁的释放

轻量级锁的释放也是通过CAS操作来进行的，当前线程使用CAS操作将Displaced Mark Word的内存复制回锁对象的MarkWord中，如果CAS操作替换成功，则说明释放锁成功；如果CAS自旋多次还是替换失败的话，说明有其他线程尝试获取该锁，则需要将轻量级锁膨胀升级为重量级锁；

六、轻量级锁升级为重量级锁的流程

七、轻量级锁的优缺点

优点

在多线程交替执行同步块的情况下，可以避免重量级锁引起的性能消耗；

缺点

如果长时间自旋后还没竞争到锁，将会过度耗费CPU，即CPU空转；