多線程互斥多線程引入偏向鎖和輕量級(jí)鎖的原因？
? ? ?synchronized的重量級(jí)別的鎖，就是在線程運(yùn)行到該代碼塊的時(shí)候，讓程序的運(yùn)行級(jí)別從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，把所有的線程掛起，讓cpu通過(guò)操作系統(tǒng)指令，去調(diào)度多線程之間，誰(shuí)執(zhí)行代碼塊，誰(shuí)進(jìn)入阻塞狀態(tài)。
? ? ? ?這樣會(huì)頻繁出現(xiàn)程序運(yùn)行狀態(tài)的切換，線程的掛起和喚醒，這樣就會(huì)大量消耗資源，程序運(yùn)行的效率低下。為了提高效率，jvm的開(kāi)發(fā)人員，引入了偏向鎖，和輕量級(jí)鎖，盡量讓多線程訪問(wèn)公共資源的時(shí)候，不進(jìn)行程序運(yùn)行狀態(tài)的切換，由用戶態(tài)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，借助操作系統(tǒng)進(jìn)行互斥。
? ? ? ?Jvm規(guī)范中可以看到synchronized在jvm里實(shí)現(xiàn)原理，jvm基于進(jìn)入和退出Monitor對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)方法同步和代碼塊同的。在代碼同步的開(kāi)始位置織入monitorenter,在結(jié)束同步的位置（正常結(jié)束和異常結(jié)束處）織入monitorexit指令實(shí)現(xiàn)。
? ? ? 線程執(zhí)行到monitorenter處，將會(huì)獲取鎖對(duì)象鎖對(duì)應(yīng)的monitor的所有權(quán)，即嘗試獲得對(duì)象的鎖。（任意對(duì)象都又一個(gè)monitor與之關(guān)聯(lián)，當(dāng)且一個(gè)monitor被持有后，他處于鎖定狀態(tài)）
? ? ? ??java的多線程安全是基于lock機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，而lock的性能往往不如人意。原因是，monitorenter與monitorexit這兩個(gè)控制多線程同步的bytecode原語(yǔ)，是jvm依賴操作系統(tǒng)互斥（mutex - fast mutex = futex(可以減少內(nèi)核態(tài)以及資源的切換)）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。互斥是一種會(huì)導(dǎo)致線程掛起，并在較短時(shí)間內(nèi)又需要重新調(diào)度回原線程的，較為消耗資源的操作。
? ? ? ?為了優(yōu)化java的Lock機(jī)制，從java6開(kāi)始引入輕量級(jí)鎖的概念。輕量級(jí)鎖本意是為了減少多線程進(jìn)入互斥的幾率，并不是要替代互斥。它利用了cpu原語(yǔ)Compare-And-Swap（cas,匯編指令CMPXCHG/LOCK CMPXCHG）,嘗試進(jìn)入互斥前，進(jìn)行補(bǔ)救。
引入多種類型的鎖的機(jī)制
在JDK1.6之前，synchonized同步方式的成本非常高，因?yàn)槭褂昧讼到y(tǒng)調(diào)用引起的內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)切換、線程阻塞造成的線程切換等。但是后面改進(jìn)了，引進(jìn)了鎖的四個(gè)狀態(tài)，分別是無(wú)鎖，偏向鎖，輕量級(jí)鎖，重量級(jí)鎖，而且是只能逐級(jí)膨脹的。
首先我們要知道，這幾個(gè)級(jí)別適用的場(chǎng)景。
無(wú)鎖：適用于沒(méi)有任何線程發(fā)生沖突或者爭(zhēng)搶的情況，并且沒(méi)有同步標(biāo)識(shí)
偏向鎖：適用于只有一個(gè)線程進(jìn)入同步區(qū)
輕量級(jí)鎖：適用于兩個(gè)線程交替進(jìn)入同步區(qū)
重量級(jí)鎖：適用于多個(gè)線程同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入同步區(qū)這里我就不贅述有關(guān)它們?nèi)齻€(gè)的具體，直接講解如何膨脹。
偏向鎖，輕量級(jí)鎖，重量級(jí)鎖對(duì)比
鎖優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用場(chǎng)景
? ? ? ?偏向鎖加鎖和解鎖不需要額外的消耗，和執(zhí)行非同步方法相比僅存在納秒級(jí)的差距如果線程間存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，會(huì)帶來(lái)額外的鎖撤銷的消耗適用于只有一個(gè)線程訪問(wèn)同步塊場(chǎng)景。
? ? ? ?輕量級(jí)鎖競(jìng)爭(zhēng)線程不會(huì)阻塞，提高了程序的響應(yīng)速度如果始終得不到索競(jìng)爭(zhēng)的線程，使用自旋會(huì)消耗CPU追求響應(yīng)速度，同步塊執(zhí)行速度非常快重量級(jí)鎖線程競(jìng)爭(zhēng)不使用自旋，不會(huì)消耗CPU線程阻塞，響應(yīng)時(shí)間緩慢追求吞吐量，同步塊執(zhí)行速度較長(zhǎng)?
對(duì)象頭的存儲(chǔ)內(nèi)容（Markword）
長(zhǎng)度內(nèi)容說(shuō)明
32/64bit Mark Word存儲(chǔ)對(duì)象的hashcode或鎖信息（25bit的hashcode編碼）
32/64bit 類對(duì)象的地址存儲(chǔ)到對(duì)象類型數(shù)據(jù)的指針（klasspointer指針）
32/64bit Array length數(shù)組的長(zhǎng)度（如果當(dāng)前對(duì)象是數(shù)組）
Mark Word存儲(chǔ)內(nèi)容（monitor）的狀態(tài)變化
? ? 25bit（hashcode）、4bit (年代數(shù)值)、1bit(是否是偏向鎖)、2bit(鎖標(biāo)示位)
????輕量級(jí)鎖指向棧中鎖記錄的指針?00
????重量級(jí)鎖指向互斥量（重量級(jí)鎖）的指針?10
鎖的狀態(tài)
? 鎖一共有四種狀態(tài)（由低到高的次序）：無(wú)鎖狀態(tài)，偏向鎖狀態(tài)，輕量級(jí)鎖狀態(tài)，重量級(jí)鎖狀態(tài)
鎖的等級(jí)只可以升級(jí)，不可以降級(jí)。這種鎖升級(jí)卻不能降級(jí)的策略，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。
偏向鎖
? ? ? ?a線程獲得鎖，會(huì)在a線程的的棧幀里創(chuàng)建lock record(鎖記錄變量)，則在鎖對(duì)象的對(duì)象頭里和lock record里存儲(chǔ)a線程的線程id.以后該線程的進(jìn)入，就不需要cas操作，只需要判斷是否是當(dāng)前線程。??
? ? ? a線程獲取鎖，不會(huì)釋放鎖。直到b線程也要競(jìng)爭(zhēng)該鎖時(shí)，a線程才會(huì)釋放鎖。
? ? ? ?偏向鎖的釋放，需要等待全局安全點(diǎn)（在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上沒(méi)有正在執(zhí)行的字節(jié)碼），它會(huì)首先暫停擁有偏向鎖的線程，然后檢查持有偏向鎖的線程是否還活著，如果線程不處于活動(dòng)狀態(tài)，則將對(duì)象頭設(shè)置成無(wú)鎖狀態(tài)。棧幀中的鎖記錄和對(duì)象頭的Mark Word要么重新偏向其他線程，要么恢復(fù)到無(wú)鎖，或者標(biāo)記對(duì)象不適合作為偏向鎖。最后喚醒暫停的線程。
? ? ? ?如果線程仍然活著，擁有偏向鎖的棧會(huì)被執(zhí)行，遍歷偏向?qū)ο蟮乃涗洝?/b>?
關(guān)閉偏向鎖，通過(guò)jvm的參數(shù)-XX:UseBiasedLocking=false,則默認(rèn)會(huì)進(jìn)入輕量級(jí)鎖。
輕量級(jí)鎖
? ? ? a線程獲得鎖，會(huì)在a線程的棧幀里創(chuàng)建lock record(鎖記錄變量)，讓lock record的指針指向鎖對(duì)象的對(duì)象頭中的mark word.再讓mark word 指向lock record.這就是獲取了鎖。
? ? ? 輕量級(jí)鎖，b線程在鎖競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)鎖已經(jīng)被a線程占用，則b線程不進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，讓b線程自旋，執(zhí)行空循環(huán)，等待a線程釋放鎖。如果，完成CAS自旋策略還是發(fā)現(xiàn)a線程沒(méi)有釋放鎖，或者讓c線程占用了。則b線程試圖將輕量級(jí)鎖升級(jí)為重量級(jí)鎖。
重量級(jí)鎖
? ? ?重量級(jí)鎖，就是讓爭(zhēng)搶鎖的線程從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換成內(nèi)核態(tài)。讓cpu借助操作系統(tǒng)進(jìn)行線程協(xié)調(diào)。
1.當(dāng)一個(gè)線程（假設(shè)叫A線程）想要獲得鎖時(shí)，首先檢查對(duì)象頭中的鎖標(biāo)志，如果是偏向鎖，則跳轉(zhuǎn)到2，如果是無(wú)鎖狀態(tài)，則跳轉(zhuǎn)到3。
2.檢查對(duì)象頭中的偏向線程id是否指向A線程，是，則直接執(zhí)行同步代碼塊，不是則3。
3.使用cas操作將替換對(duì)象頭中的偏向線程id，成功，則直接執(zhí)行同步代碼塊。失敗則說(shuō)明其他的線程（假設(shè)叫B線程）已經(jīng)擁有偏向鎖了，那么進(jìn)行偏向鎖的撤銷（因?yàn)檫@里有競(jìng)爭(zhēng)了），此時(shí)執(zhí)行4。
4.B線程運(yùn)行到全局安全點(diǎn)后，暫停該線程，檢查它的狀態(tài)，如果處于不活動(dòng)或者已經(jīng)退出同步代碼塊則原持有偏向鎖的線程釋放鎖，然后A再次執(zhí)行3。如果仍處于活動(dòng)狀態(tài)，則需要升級(jí)為輕量級(jí)鎖，此時(shí)執(zhí)行5.
5.在B線程的棧中分配鎖記錄，拷貝對(duì)象頭中的MarkWord到鎖記錄中，然后將MarkWord改為指向B線程，同時(shí)將對(duì)象頭中的鎖標(biāo)志信息改為輕量級(jí)鎖的00，然后喚醒B線程，也就是從安全點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行。
6.由于鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖，A線程也進(jìn)行相同的操作，即，在A線程的棧中分配鎖記錄，拷貝對(duì)象頭中的Mark Word到鎖記錄中，然后使用cas操作替換MarkWord，因?yàn)榇藭r(shí)B線程擁有鎖，因此，A線程自旋。如果自旋一定次數(shù)內(nèi)成功獲得鎖，那么A線程獲得輕量級(jí)鎖，執(zhí)行同步代碼塊。若自旋后仍未獲得鎖，A升級(jí)為重量級(jí)鎖，將對(duì)象頭中的鎖標(biāo)志信息改為重量級(jí)的10，同時(shí)阻塞，此時(shí)請(qǐng)看7.
7.B線程在釋放鎖的時(shí)候，使用cas將MarkWord中的信息替換，成功，則表示無(wú)競(jìng)爭(zhēng)（這個(gè)時(shí)候還是輕量級(jí)鎖，A線程可能正在自旋中）直接釋放。失?。ㄒ?yàn)檫@個(gè)時(shí)候鎖已經(jīng)膨脹），那么釋放之后喚醒被掛起的線程（在這個(gè)例子中，也就是A）。
以上就是我理解的鎖膨脹過(guò)程。有錯(cuò)誤的地方，歡迎指正。
自旋鎖，也就是如果持有鎖的線程能很短時(shí)間內(nèi)釋放鎖，那么競(jìng)爭(zhēng)鎖的線程就不需要進(jìn)入阻塞掛起狀態(tài)，而是等一會(huì)（自旋），這樣能避免用戶線程和內(nèi)核線程的切換消耗，但是如果超過(guò)一定時(shí)間仍未得到，還是會(huì)進(jìn)入阻塞。通過(guò)自旋鎖，可以減少線程阻塞造成的線程切換（包括掛起線程和恢復(fù)線程）。
1.6之后引入了自適應(yīng)自旋鎖，是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來(lái)決定。自適應(yīng)自旋解決的是“鎖競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間不確定”的問(wèn)題。JVM很難感知到確切的鎖競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間，而交給用戶分析就違反了JVM的設(shè)計(jì)初衷。自適應(yīng)自旋假定不同線程持有同一個(gè)鎖對(duì)象的時(shí)間基本相當(dāng)，競(jìng)爭(zhēng)程度趨于穩(wěn)定，因此，可以根據(jù)上一次自旋的時(shí)間與結(jié)果調(diào)整下一次自旋的時(shí)間。
鎖特點(diǎn)分析
偏向鎖的加鎖和解鎖不需要額外的消耗，和執(zhí)行非同步方法比僅存在納秒級(jí)的差距。
如果線程間存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，會(huì)帶來(lái)額外的鎖撤銷的消耗。
如果只有一個(gè)線程訪問(wèn)同步塊場(chǎng)景：輕量級(jí)鎖競(jìng)爭(zhēng)的線程不會(huì)阻塞，提高了程序的響應(yīng)速度。
如果始終得不到鎖競(jìng)爭(zhēng)的線程使用自旋會(huì)消耗CPU追求響應(yīng)時(shí)間,鎖占用時(shí)間很短重量級(jí)鎖線程競(jìng)爭(zhēng)不使用自旋，不會(huì)消耗CPU線程阻塞，響應(yīng)時(shí)間緩慢追求吞吐量,鎖占用時(shí)間較長(zhǎng)?。
