多线程面试题(史上最全、持续更新、吐血推荐) (19)

对于轻量级锁,其性能提升的依据是 “对于绝大部分的锁,在整个生命周期内都是不会存在竞争的”,如果打破这个依据则除了互斥的开销外,还有额外的CAS操作,因此在有多线程竞争的情况下,轻量级锁比重量级锁更慢。

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轻量级锁的获取和释放过程

为什么升级为轻量锁时要把对象头里的Mark Word复制到线程栈的锁记录中呢?

因为在申请对象锁时 需要以该值作为CAS的比较条件,同时在升级到重量级锁的时候,能通过这个比较判定是否在持有锁的过程中此锁被其他线程申请过,如果被其他线程申请了,则在释放锁的时候要唤醒被挂起的线程。

为什么会尝试CAS不成功以及什么情况下会不成功?

CAS本身是不带锁机制的,其是通过比较而来。假设如下场景:线程A和线程B都在对象头里的锁标识为无锁状态进入,那么如线程A先更新对象头为其锁记录指针成功之后,线程B再用CAS去更新,就会发现此时的对象头已经不是其操作前的对象HashCode了,所以CAS会失败。也就是说,只有两个线程并发申请锁的时候会发生CAS失败。

然后线程B进行CAS自旋,等待对象头的锁标识重新变回无锁状态或对象头内容等于对象HashCode(因为这是线程B做CAS操作前的值),这也就意味着线程A执行结束(参见后面轻量级锁的撤销,只有线程A执行完毕撤销锁了才会重置对象头),此时线程B的CAS操作终于成功了,于是线程B获得了锁以及执行同步代码的权限。如果线程A的执行时间较长,线程B经过若干次CAS时钟没有成功,则锁膨胀为重量级锁,即线程B被挂起阻塞、等待重新调度。

此处,如何理解“轻量级”?“轻量级”是相对于使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的。但是,首先需要强调一点的是,轻量级锁并不是用来代替重量级锁的,它的本意是在没有多线程竞争的前提下,减少传统的重量级锁使用产生的性能消耗。

轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的情况,如果存在同一时间访问同一锁的情况,必然就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

4.7 重量级锁

Synchronized是通过对象内部的一个叫做 监视器锁(Monitor)来实现的。但是监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的。而操作系统实现线程之间的切换这就需要从用户态转换到核心态,这个成本非常高,状态之间的转换需要相对比较长的时间,这就是为什么Synchronized效率低的原因。因此,这种依赖于操作系统Mutex Lock所实现的锁我们称之为 “重量级锁”。

4.8 重量级锁、轻量级锁和偏向锁之间转换

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重量级锁、轻量级锁和偏向锁之间转换

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Synchronized偏向锁、轻量级锁及重量级锁转换流程

5 锁的优劣

各种锁并不是相互代替的,而是在不同场景下的不同选择,绝对不是说重量级锁就是不合适的。每种锁是只能升级,不能降级,即由偏向锁->轻量级锁->重量级锁,而这个过程就是开销逐渐加大的过程。

如果是单线程使用,那偏向锁毫无疑问代价最小,并且它就能解决问题,连CAS都不用做,仅仅在内存中比较下对象头就可以了;

如果出现了其他线程竞争,则偏向锁就会升级为轻量级锁;

如果其他线程通过一定次数的CAS尝试没有成功,则进入重量级锁;

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