Java并发编程之锁的升级

Java 中的锁机制是多线程编程中的一部分。锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。

锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

几种锁状态的关系图

 

一、偏向锁

偏向锁字面意思是“偏向于第一个获得它的线程”的锁，在单线程的环境下，对于同一个对象的多次加锁，只需记录下该线程ID即可。

偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，偏向锁会升级成轻量级锁。

偏向锁在Java 6和Java 7里是默认启用的，但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活。如有必要可以使用JVM参数来关闭延迟：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。

如果你确定应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态，可以通过JVM参数关闭偏向锁：
-XX:-UseBiasedLocking=false，那么程序默认会进入轻量级锁状态。

什么是锁竞争？

如果多个线程轮流获取一个锁，但是每次获取锁的时候都很顺利，没有发生阻塞，那么就不存在锁竞争。

只有当某线程尝试获取锁的时候，发现该锁已经被占用，只能等待其释放，这才发生了锁竞争。

二、轻量级锁

轻量级锁是在多线程的环境下，对于同一个对象的多次加锁，使用CAS操作来进行同步。

当其他线程来竞争时，没有抢到锁的线程将自旋，即不停地循环判断锁是否能够被成功获取，自旋达到一定次数后，轻量级锁会升级为重量级锁。

轻量级锁的获取主要由两种情况：

1. 当关闭偏向锁功能时

2. 由于多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁

自旋锁时在多线程环境下，线程请求锁时，不会被挂起，而是采用循环的方式进行自旋。只有当锁的持有者释放锁时，请求锁的线程才能获得锁。

自旋锁的好处：减少线程挂起的时间，提高性能。

三、重量级锁

重量级锁是指当有一个线程获取锁之后，其余所有等待获取该锁的线程都会处于阻塞状态。

重量级锁是在多线程环境下，采用操作系统的互斥量来进行同步。当线程竞争加剧、CAS自旋到一定次数的时候，锁就会升级为重量级锁。当后续线程尝试获取锁时，发现被占用的锁是重量级锁，则直接将自己挂起（而不是忙等），等待将来被唤醒。

自旋锁消耗CPU资源，重量级锁有等待队列，不会消耗CPU资源。

🎈锁可以升级但不能降级的原因

因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋（比如获得锁的线程被阻塞住了），一旦锁升级成重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。

当锁处于这个状态下，其他线程试图获取锁时，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。

🎈锁的优缺点比对

锁	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁不需要额外的消耗， 和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距。	如果线程间存在锁竞争， 会带来额外的锁撤销的消耗。	适用于只有一个线程访问同步块场景
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞， 提高了程序的响应速度。	如果始终得不到锁竞争的线程， 使用自旋会消耗CPU。	追求响应时间，同步块执行速度非常快
重量级锁	线程竞争不使用自旋， 不会消耗 CPU。	线程阻塞， 响应时间缓慢。	追求吞吐量， 同步块执行速度较长