Java中锁的四种状态以及锁升级过程

在Java（1.6+）中锁的状态一共有四种，级别由低到高分别是：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级，其中锁可以升级，但是不能降级。Java中加锁的最简单方式就是加synchronized关键字，那么为什么锁会有这么多状态的锁呢？

在Java早期，synchronized叫做重量级锁，加锁过程需要操作系统在内核态访问核心资源，因此操作系统会在用户态与内核态之间切换，效率很低下。于是JDK1.6之后，JVM为了提高锁的获取与释放效率，对synchronized进行了优化，引入了偏向锁和轻量级锁，根据线程竞争情况对锁进行升级，在线程竞争不激烈的情况避免使用重量级锁。

对象头

在了解锁之前需要先了解一下对象头，我们都知道在Java中锁不是某一个具体的实物资源，而是对象上的某个标记，而这个标记就记录在对象头上。
Mark Word（对象头）是Java对象布局中的一个部分，关于Java对象布局可以参考我的另一篇博客：《Java对象的内存布局》，那么Mark Word内部是什么样子的呢？

在32位虚拟机中：

在64位虚拟机中：

由于现在计算机基本都是64位，所以下面以64位虚拟机为例，看一下锁具体是如何升级的
无锁：对象头中有31bit的空间来存储对象的hashcode，4bit用于存放对象分代年龄，1bit来表示是否是偏向锁，2bit存放锁标志位，偏向锁位与锁标志位合起来“001”就代表无锁。无锁就是没有对任何资源进行锁定，所有线程都能访问并修改资源。
偏向锁：对象头中记录了获得偏向锁的线程ID，偏向锁与锁标志位合起来“101”就代表偏向锁。有研究发现，在大多数情况下，锁很少被多个线程同时竞争，而且总是由同一个线程多次获得，因此只需要将获得锁的线程ID写入到锁对象Mark Word中，相当于告诉其他线程，这块资源已经被我占了。当线程访问资源结束后，不会主动释放偏向锁，当线程再次需要访问资源时，JVM就会通过Mark Word中记录的线程ID判断是否是当前线程，如果是，则继续访问资源。所以，在没有其他线程参与竞争时，锁就一直偏向被当前线程持有，当前线程就可以一直占用资源或者执行代码。
自旋锁：一旦有另外一个线程参与锁竞争，偏向锁就会升级为自旋锁，此时撤销偏向锁，锁标志位变为“00”。竞争的两个线程都在各自的线程栈帧中生成一个Lock Record空间，用于存储锁对象目前Mark Word的拷贝，用CAS操作将Mark Word设置为指向自己这个线程的LR（Lock Record）指针，设置成功者获得锁，其他参与竞争的线程如果未获取到锁，则会一直处于自旋等待的状态，直到竞争到锁。
重量级锁：长时间的自旋操作是很消耗CPU资源的，为了避免这种盲目的消耗，JVM会在有线程超过10次自旋，或者自旋次数超过CPU核数的一半（JDK1.6以后加入了自适应自旋-Adaptive Self Spinning，由JVM自己控制自旋次数）时，会升级到重量级锁。重量级锁底层是依赖操作系统的mutex互斥锁，也就是有操作系统来负责线程间的调度。重量级锁减少了自旋锁带来的CPU消耗，但是由于操作系统调度线程带来的线程阻塞会使程序响应速度变慢。

本文地址：https://blog.csdn.net/weixin_42105936/article/details/109608345