概述
这篇文章主要用来总结一下Java对象头的Mark Word 与Java 锁升级的过程。(我们这里用32bit 的虚拟机为例)
Java 对象头
Java 对象包含三个部分
- 1 Java 对象头
- 2 元数据(包括类的属性名等)
- 3 字节填充(对象的大小必须是8bit 的倍数)
Mark Word
Java 的对象头包含一下三个部分
- 1 Mark Word(32bit）
- 2 指向类的指针(32bit, 指向存放在方法区的Class 对象)
- 3 数组长度(只有当对象为数组的时候，才有这一部分数据 32bit)
Mark Word记录了对象运行时的数据，包括HashCode, GC分带年龄， 是否持有偏向锁， 还有锁标志等。
如下图:
锁状态与锁的升级
如上图所示，Java对象的锁状态一共有四种，级别从低到高依次为: 无锁(01) -> 偏向锁(01) -> 轻量级锁(00) -> 重量级锁(10).要注意的锁是可以升级的，锁的升级目的是为了提高锁的获取效率和释放效率。下面我们来说一下每一个锁状态的意义。
偏向锁
HotSpot 研究员发现很多时候，锁不存在多线程之间的竞争，而是总是有同一个线程获取。如果在对象头加入上一次成功获取锁的线程Id，等待下次这个线程再次获取锁的时候(此时无其他线程竞争锁)，那么线程不在需要通过自旋来获取锁，而是通过简单的测试对象记录的线程Id是否与当前线程的Id相等，如果相等直接加锁成功(线程Id相当于一个缓存的作用。)，当然解锁也是如此。
当然以上只是偏向锁的一种使用场景，关于场景我们分三种情况来讨论:
- 1.只有一个线程T1 获取锁(上述场景)
- 2.线程T1与线程T2交替获取锁
- 3.线程T1与线程T2同时进入同步块，竞争锁。
当出现第二种情况: 两个线程交替获取锁，那么线程T1成功获取锁以后，线程T2尝试竞争锁的时候，他会检测线程T1是否还存活。如果下面层T1已经挂了，那么对象头会设置成无锁状态，并在T2成功获取锁后，重新偏向于线程T2.
当出现第三种情况: 两个线程同时竞争锁，当T2自旋获取锁失败时，表示存在锁竞争，当到达全局安全点的时候(会有资源消耗)，偏向锁会被撤销，锁升级为轻量级锁。
轻量级锁
1 轻量级锁加锁
轻量级锁的加锁，在线程执行同步块之前，会现在当前线程的栈帧中创建存储Mark Word的锁记录里空间(官方称为Displace Mark Word)，然后利用CAS 将对象头的MarkWord替换为指向锁记录的地址，如果成功，则获取锁成功，如果失败，则当前线程利用自旋来获取锁，若自旋到一定程度之后依然没有获取到锁，则锁会膨胀成重量级锁。
2 轻量级锁解锁
轻量级锁的解锁，在执行完同步块之后，会将Displace Mark Word里面的锁记录替换回对象头中。如果替换成功，则解锁成功，如果替换失败，则解锁失败，锁就会膨胀成重量级锁。
重量级锁
例如我们最经常看见的synchronized就是非常典型的重量级锁，通过指令moniter enter 加锁，moniter exit解锁。重量级锁的同步成本非常高，包括内核态与用户态的切换造成的资源损耗等。
对比与总结
| 锁 | 优点 | 缺点 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| 偏向锁 | 加锁与解锁基本不消耗资源 | 如果存在线程竞争则撤销锁需要额外的消耗 | 只有一个线程访问同步块的情景 |
| 轻量级锁 | 竞争锁不需要线程切换，提供了执行效率 | 如果存在大量线程竞争锁，自旋会消耗CPU资源 | 适用于少量线程访问同步块，追求访问同步块的速度 |
| 重量级锁 | 线程不需要自旋，不会消耗过多cpu资源 | 线程切换需要消耗大量资源，线程阻塞，执行缓慢 | 同步块执行时间较长的情况。 |
