JVM锁升级过程分析

过程概括

1. 从未被获取过得锁：无锁状态
2. 只被一个线程获取的锁：偏向锁
3. 多个线程获取锁，但并没法生锁等待：轻量级锁
4. 多个线程出现锁竞争：重量级锁（也就是一般意义的锁）

举个栗子

你家有一个碗，当没有人用这个碗时，它处于无锁状态。当你用这个碗吃饭时，它进入偏向锁状态，以后每次你用这个碗吃饭的话，你都不用进行加锁和解锁操作。有一天你女朋友去你家，但她只要求你吃完了再把碗给她用，你们虽然共用这一个碗，但是并不会在同一时间用，这是碗就进入了轻量级锁。但当你正在用碗吃饭的时候，你女朋友说她也饿了，要抢你的碗，这时候，你只能给碗加上重量级锁，才能避免你女朋友直接来抢你的失误。

锁升级的数据结构

HotSpot虚拟机将每个对象的加锁信息和当前状态存储在对象头的mark word字段，结构如下：

图1 HotSpot虚拟机对象头Mark Word格式

HotSpot虚拟机的对象头分为两部分，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如HashCode、GC分代年龄等。这部分数据在32位和64位的java虚拟机中分别占用32位和64位，官方称之为Mark World。这部分时实现轻量级锁和偏向锁的关键。另一部分用于存储指向方法区对象类型数据的指针，如果是数组对象，还会有额外的部分用于存储数组的长度。

锁升级过程

• 无锁 → 偏向锁
  如果一块临界区从未被任何线程访问过，则它就一直处于无锁状态。当第一个线程来访问它时，这时候线程会判断锁状态标志位为01偏向标志位为0，表示无锁且可以使用偏向锁。这时就会启动加偏向锁的过程：

  • 1. 将偏向标志位设置为1
  • 2. 使用CAS操作将线程ID写入对象头

  如果cas操作成功，则该线程就获取到了偏向锁，该线程每次进入同步块时就再也不用加锁解锁了。

• 偏向锁 → 轻量级锁
  当第二个线程尝试获取已被置为偏向的锁时，偏向模式就马上宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态来决定是否撤销偏向（偏向标志设为0），撤销后锁标志位恢复到未锁定或轻量级锁的状态。如果对象处于锁定状态，则直接将锁升级到重量级锁，否则由当前试图访问到线程加上轻量级锁。轻量级锁的加锁过程如下：

  • 将锁标志位设置为00，表示轻量级锁
  • 在当前线程的栈帧中开辟一片空间存储Mark World
  • 通过CAS操作将对象头的信息替换为栈帧中存储备份的地址

• 轻量级锁 → 重量级锁
  如果出现两个以上的线程争用同一个锁的情况，那轻量级锁就不再有效，必须要膨胀为重量级锁，锁标志位状态改为10，此时Mark World中存储的就是指向重量级锁的指针，后面等待锁的线程也不许进入阻塞状态。