JVM 锁的种类

优质博文：IT-BLOG-CN

一、JVM 锁【偏向锁|轻量级锁|重量级锁】

对象头[每个对象都具有对象头] Mark：对象头的标记（32位），描述对象的hash、锁信息、垃圾回收标记、年龄；内容包括：①、指向锁记录的指针；②、指向monitor的指针；③、GC标记；④、偏向锁线程ID；

偏向锁

偏向于第一个访问锁的线程，初次执行synchronized代码块时，通过CAS修改对象头里的标志位，锁对象变成了偏向锁。偏向锁无法使用自旋锁优化，因为一旦有其他线程申请锁，就破坏了偏向锁的假定。偏向锁的目标是，减少无竞争且只有一个线程使用锁的情况下，使用轻量级锁产生的性能消耗。轻量级锁每次申请、释放锁都至少需要一次CAS，但偏向锁只有初始化时需要一次CAS。如果明显存在其他线程申请锁，那么偏向锁将很快膨胀为轻量级锁。其特点如下：
【1】大部分情况下没有竞争的，所以可以通过偏向锁来提高性能；
【2】所谓偏向锁，就是偏心，即锁会偏向于当前已经占有的线程；
【3】将对象Mark的标记设置为偏向，并将线程ID写入对象的Mark头中；
【4】只要没有竞争，获得偏向锁的线程，在将来进入代码块，不需要做同步；
【5】-XX:+UseBiasedLocking默认启动；
【6】在竞争激烈的场合，偏向锁会增加系统负担；

【代码示列】： 当没有锁竞争的时候，就会默认使用偏向锁。

public static List<Integer> numberList =new Vector<Integer>();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
	long begin=System.currentTimeMillis();
	int count=0;
	int startnum=0;
	while(count<10000000){
		numberList.add(startnum);
		startnum+=2;
		count++;
	}
	long end=System.currentTimeMillis();
	System.out.println(end-begin);
}

开启偏向锁：-XX:+UseBiasedLocking -XX:+BiasedLockingStartupDelay=0
关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking -XX:-BiasedLockingStartupDelay=0

【结论】： 使用偏向锁，可以获得5%的性能提升。偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程是不会主动释放偏向锁的。关于偏向锁的撤销，需要等待全局安全点，即在某个时间点上没有字节码正在执行时，它会先暂停拥有偏向锁的线程，然后判断锁对象是否处于被锁定状态。如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态，并撤销偏向锁，恢复到无锁（标志位为01）或轻量级锁（标志位为00）的状态。

轻量级锁

当前锁是偏向锁，此时有多个线程同时来竞争锁，偏向锁就会升级为轻量级锁。轻量级锁认为虽然竞争是存在的，但是理想情况下竞争的程度很低，通过自旋方式来获取锁，那么申请重量级锁都是浪费的。轻量级锁的目标是，减少无实际竞争情况下，使用重量级锁产生的性能消耗，包括系统调用引起的内核态与用户态切换、线程阻塞造成的线程切换等。顾名思义，轻量级锁是相对于重量级锁而言的。使用轻量级锁时，不需要申请互斥量，仅仅将Mark Word中的部分字节CAS更新指向线程栈中的Lock Record，如果更新成功，则轻量级锁获取成功，记录锁状态为轻量级锁；否则，说明已经有线程获得了轻量级锁，目前发生了锁竞争（不适合继续使用轻量级锁），接下来膨胀为重量级锁。当然，由于轻量级锁天然瞄准不存在锁竞争的场景，如果存在锁竞争但不激烈，仍然可以用自旋锁优化，自旋失败后再膨胀为重量级锁。BasicObjectLock：嵌入在线程中

【1】普通锁处理性能不够理想，轻量级锁是一种快速的锁定方法。

【2】如果对象没有锁定：①、将对象头的Mark指针保存到锁对象中。②、将对象头设置为指向锁的指针（在线程空间中）

lock->set_displaced_header(mark);
 if (mark == (markOop) Atomic::cmpxchg_ptr(lock, obj()->mark_addr(), mark)) {
	  TEVENT (slow_enter: release stacklock) ;
	  return ;
 }
//lock位于线程中 

【3】总结： ① 如果轻量级锁失败，表示存在竞争，升级为重量级锁（常规锁）；② 在没有锁竞争的情况下，减少传统锁使用OS互斥产生的锁性能消耗问题；③ 在竞争激烈时，轻量级锁会做很多额外操作，导致性能下降；

自旋锁

自适应自旋解决的是“锁竞争时间不确定”的问题。JVM很难感知到确切的锁竞争时间，而交给用户分析就违反了JVM的设计初衷。自适应自旋假定不同线程持有同一个锁对象的时间基本相当，竞争程度趋于稳定，因此，可以根据上一次自旋的时间与结果调整下一次自旋的时间。然而，自适应自旋也没能彻底解决该问题，如果默认的自旋次数设置不合理（过高或过低），那么自适应的过程将很难收敛到合适的值：
【1】JDK1.7中，自旋锁为内置实现。
【2】在线程竞争存在时，如果线程可以很快获得锁，那么可以不再OS层挂起线程，让线程做几个空操作（自旋）
【3】如果同步块很长，自旋失败，会降低系统性能。
【4】如果同步块很短，自旋成功，节省线程挂起切换时间，提升系统性能。

偏向锁、轻量级锁、自旋锁总结:
【1】不是Java语言层面的锁优化方法；
【2】内置于JVM中的获取锁的优化方法和获取锁的步骤：① 偏向锁可用时，会尝试偏向锁；② 轻量级锁可用会尝试轻量级锁；③ 以上都失败，尝试自旋锁；④ 在失败尝试普通锁，使用OS互斥量在操作系统层面挂起；

更多链接

CAS（V,E,N）V：表示更新的变量，E：表示预期值，N：表示新值。当V=E时，才会将V的值设为N，如果 V值和 E值不同，则说明有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做，最后 CAS 返回 V 的真实值。

在应用层面判断多线程的干扰，如果有干扰则通知线程重试。例如：java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger

public final int getAndSet(int newValue) {
    for (;;) {
        int current = get();
        if (compareAndSet(current, newValue))
            return current;
    }
}

设置成功返回新值，设置失败返回旧值：public final boolean compareAndSet(int expect , int update)更新成功返回true。java.util.concurrent.atomic包使用无锁实现，性能高于一般的锁线程。此方法一般位于unsafa类中方法，保证了原子性。

重量级锁

如果线程的竞争很激励，线程的自旋超过了一定次数（默认循环10次，可以通过虚拟机参数更改），将轻量级锁升级为重量级锁（依然是 CAS 修改锁标志位，但不修改持有锁的线程ID），当后续线程尝试获取锁时，发现被占用的锁是重量级锁，则直接将自己挂起（而不是忙等），等待将来被唤醒。

重量级锁是指当有一个线程获取锁之后，其余所有等待获取该锁的线程都会处于阻塞状态。简言之，就是所有的控制权都交给了操作系统，由操作系统来负责线程间的调度和线程的状态变更。而这样会出现频繁地对线程运行状态的切换，线程的挂起和唤醒，从而消耗大量的系统资。

二、合理使用锁机制

【1】减少锁持有时间（尽量使用synchronized块）

public synchronized void syncMethod(){
	othercode1();
	mutextMethod();
	othercode2();
}
public void syncMethod2(){
	othercode1();
	synchronized(this){
		mutextMethod();
	}
	othercode2();
}

【2】减少锁粒度： ① 将大对象拆成小对象，大大增加并行度，降低锁竞争；② 偏向锁，轻量级锁成功率高；③ ConcurrentHashMap中HashMap的同步实现；④ Collections.synchronizedMap(map<key,value,m>；⑤ 返回SynchronizedMap对象。

public V get(Object key) {
	synchronized (mutex) {return m.get(key);}
}
public V put(K key, V value) {
	synchronized (mutex) {return m.put(key, value);}
}

ConcurrentHashMap JDK1.7时使用若干个Segment：Segment<key,vlaue>[] segments；Segment（分段锁） 中维护 HashEntry<k,v>；Put操作时，先定位到Segment，锁定一个Segment，执行put；在减少粒度后，ConcurrentHashMap允许若干个线程同时进入。

【3】锁分离： ① 根据功能进行锁分离；② ReadWriteLock；③ 读多写少的情况下，可以提高性能；

【4】锁粗化： 通常情况下，为保证多线程间的有效并发，会要求每个线程持有锁的时间尽量短，即在使用完公共资源后，应该立即释放锁。只有这样，等待在这个锁上的其他线程才能今早的获得资源执行任务。但是，凡是有一个临近值，如果对同一个锁不停的释放获取，其本身也会消耗宝贵的资源，反而不利于性能的优化。

for (int i=0; i < size; i++) {
    synchronized(lock){
        ......
    }
}

// 锁粗化后
synchronized(lock){
    for (int i=0; i < size; i++) {
        ......
    }
}

【5】锁消除： 在编译时，JVM 虚拟机如果检测不到某段代码被共享和竞争的可能性，就会将这段代码所属的同步锁消除掉，从而到底提高程序性能的目的。锁消除的依据是逃逸分析的数据支持，如StringBuffer的append()方法，或Vector的add()方法，在很多情况下是可以进行锁消除的。

public static void main(String args[]) throws InterruptedException {
	long start = System.currentTimeMillis();
	for (int i = 0; i < CIRCLE; i++) {
		craeteStringBuffer("JVM", "Diagnosis");
	}
	long bufferCost = System.currentTimeMillis() - start;
	System.out.println("craeteStringBuffer: " + bufferCost + " ms");
}

public static String craeteStringBuffer(String s1, String s2) {
	StringBuffer sb = new StringBuffer();
	sb.append(s1);
	sb.append(s2);
	return sb.toString();
}

以上代码经过编译之后的字节码如下：

从上述结果可以看出，之前我们写的线程安全的加锁的StringBuffer对象，在生成字节码之后就被替换成了不加锁不安全的StringBuilder对象了，原因是StringBuffer的变量属于一个局部变量，并且不会从该方法中逃逸出去，所以我们可以使用锁消除（不加锁）来加速程序的运行。

【开启锁消除】：-server -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+EliminateLocks ——执行时间198ms；
【关闭锁消除】：-server -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:-EliminateLocks ——执行时间254ms；

三、公平锁/非公平锁

公平锁： 多个线程按照申请锁的顺序去获得锁，所有线程都在队列里排队，先来先获取的公平性原则。

优点： 所有的线程都能得到资源，不会饿死在队列中。

缺点： 吞吐量会下降很多，队列里面除了第一个线程，其他的线程都会阻塞，CPU唤醒下一个阻塞线程有系统开销。

非公平锁： 多个线程不按照申请锁的顺序去获得锁，而是同时以插队方式直接尝试获取锁，获取不到（插队失败），会进入队列等待（失败则乖乖排队），如果能获取到（插队成功），就直接获取到锁。

优点： 可以减少CPU唤醒线程的开销，整体的吞吐效率会高点

缺点： 可能导致队列中排队的线程一直获取不到锁或者长时间获取不到锁，活活饿死。

Java多线程并发操作，我们操作锁大多时候都是基于Sync本身去实现的，而Sync本身却是ReentrantLock的一个内部类，Sync继承AbstractQueuedSynchronizer

像ReentrantLock默认是非公平锁，我们可以在构造函数中传入true，来创建公平锁。更多内容链接

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

四、可中断锁/不可中断锁

可中断锁： 指一个线程因为没有获得锁在阻塞等待过程中，可以中断自己阻塞的状态。不可中断锁： 恰恰相反，如果锁被其他线程获取后，当前线程只能阻塞等待。如果持有锁的线程一直不释放锁，那其他想获取锁的线程就会一直阻塞。

内置锁synchronized是不可中断锁，而ReentrantLock是可中断锁。

ReentrantLock获取锁定有三种方式：
【1】lock()如果获取了锁立即返回，如果别的线程持有锁，当前线程则一直处于阻塞状态，直到该线程获取锁
【2】tryLock() 如果获取了锁立即返回true，如果别的线程正持有锁，立即返回false
【3】tryLock(long timeout,TimeUnit unit) 如果获取了锁定立即返回true，如果别的线程正持有锁，会等待参数给定的时间，在等待的过程中，如果获取了锁定，就返回true，如果等待超时，返回false
【4】lockInterruptibly()如果获取了锁定立即返回；如果没有获取锁，线程处于阻塞状态，直到获取锁或者线程被别的线程中断

五、分段锁

分段锁其实是一种锁的设计，目的是细化锁的粒度，并不是具体的一种锁，对于ConcurrentHashMap而言，其并发的实现就是通过分段锁的形式来实现高效的并发操作。

ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment，它即类似于HashMap（JDK7 中HashMap的实现）的结构，即内部拥有一个Entry数组，数组中的每个元素又是一个链表；同时又是一个ReentrantLock（Segment继承了ReentrantLock)。

当需要put元素的时候，并不是对整个HashMap加锁，而是先通过hashcode知道要放在哪一个分段中，然后对这个分段加锁，所以当多线程put时，只要不是放在同一个分段中，可支持并行插入。

六、可重入锁

可重入锁，也叫做递归锁，是指在同一个线程在调外层方法获取锁的时候，再进入内层方法会自动获取锁。

对象锁或类锁内部有计数器，一个线程每获得一次锁，计数器 +1；解锁时，计数器 -1。

有多少次加锁，就要对应多少次解锁，加锁与解锁成对出现。

JAVA中的ReentrantLock和synchronized都是 可重入锁。可重入锁的一个好处是可一定程度避免死锁。

七、悲观锁/乐观锁

悲观锁

正如其名，它是指对数据修改时持保守态度，认为其他人也会修改数据。因此在操作数据时，会把数据锁住，直到操作完成。悲观锁大多数情况下依靠数据库的锁机制实现，以保证操作最大程度的独占性。如果加锁的时间过长，其他用户长时间无法访问，影响程序的并发访问性，同时这样对数据库性能开销影响也很大，特别是长事务而言，这样的开销往往无法承受。

如果是单机系统，我们可以采用 JAVA 自带的 synchronized 关键字，通过添加到方法或同步块上，锁住资源 如果是分布式系统，我们可以借助数据库自身的锁机制来实现

select * from 表名 where id= #{id} for update

使用悲观锁的时候，我们要注意锁的级别，MySQL innodb 在加锁时，只有明确的指定主键或（索引字段）才会使用 行锁；否则，会执行 表锁，将整个表锁住，此时性能会很差。在使用悲观锁时，我们必须关闭MySQL数据库的自动提交属性，因为mysql默认使用自动提交模式。悲观锁适用于写多的场景，而且并发性能要求不高

乐观锁

乐观锁，从字面意思也能猜到个大概，在操作数据时非常乐观，认为别人不会同时修改数据，因此乐观锁不会上锁 只是在 提交更新 时，才会正式对数据的冲突与否进行检测。如果发现冲突了，则返回错误信息，让用户决定如何去做，fail-fast 机制 。否则，执行本次操作。

分为三个阶段：数据读取、写入校验、数据写入。

如果是单机系统，我们可以基于JAVA的CAS来实现，CAS是一种原子操作，借助硬件的比较并交换来实现。

如果是分布式系统，我们可以在数据库表中增加一个 版本号 字段，如：version

update 表 
set ... , version = version +1 
where id= #{id} and version = #{version} 

操作前，先读取记录的版本号，更新时，通过SQL语句比较版本号是否一致。如果一致，则更新数据。否则会再次读取版本，重试上面的操作。

八、分布式锁

JAVA中的synchronized、ReentrantLock等，都是解决单体应用单机部署的资源互斥问题。随着业务快速发展，当单体应用演化为分布式集群后，多线程、多进程分布在不同的机器上，原来的单机并发控制锁策略失效

此时我们需要引入分布式锁，解决跨机器的互斥机制来控制共享资源的访问。

分布式锁需要具备哪些条件：
【1】与单机系统一样的资源互斥功能，这是锁的基础
【2】高性能获取、释放锁
【3】高可用
【4】具备可重入性
【5】有锁失效机制，防止死锁
【6】非阻塞，不管是否获得锁，要能快速返回
实现方式多种多样，基于 数据库、Redis、以及Zookeeper等，这里讲下主流的基于Redis的实现方式：

加锁：

SET key unique_value  [EX seconds] [PX milliseconds] [NX|XX]

通过原子命令，如果执行成功返回 1，则表示加锁成功。注意：unique_value是客户端生成的唯一标识，区分来自不同客户端的锁操作 解锁要特别注意，先判断unique_value是不是加锁的客户端，是的话才允许解锁删除。毕竟我们不能删除其他客户端加的锁。

解锁： 解锁有两个命令操作，需要借助Lua脚本来保证原子性。

// 先比较 unique_value 是否相等，避免锁的误释放
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call("del",KEYS[1])
else
    return 0
end

借助Redis的高性能，Redis实现分布式锁也是目前主流实现方式。但任何事情有利有弊，如果加锁的服务器宕机了，当slave节点还没来得及数据备份，那不是别的客户端也可以获得锁。

为了解决这个问题，Redis官方设计了一个分布式锁Redlock。

基本思路： 让客户端与多个独立的Redis节点并行请求申请加锁，如果能在半数以上的节点成功地完成加锁操作，那么我们就认为，客户端成功地获得分布式锁，否则加锁失败。

九、独享锁/共享锁

独享锁

独享锁，也有人叫它排他锁。无论读操作还是写操作，只能有一个线程获得锁，其他线程处于阻塞状态。

缺点：读操作并不会修改数据，而且大部分的系统都是 读多写少，如果读读之间互斥，大大降低系统的性能。下面的 共享锁 会解决这个问题。

像JAVA中的ReentrantLock和synchronized都是独享锁

共享锁

共享锁是指允许多个线程同时持有锁，一般用在读锁上。读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的。读写，写读 ，写写的则是互斥的。独享锁与共享锁也是通过AQS来实现的，通过实现不同的方法，来实现独享或者共享

ReentrantReadWriteLock，其读锁是共享锁，其写锁是独享锁。

十、读锁/写锁

如果对某个资源是读操作，那多个线程之间并不会相互影响，可以通过添加读锁实现共享。如果有修改动作，为了保证数据的并发安全，此时只能有一个线程获得锁，我们称之为 写锁。读读是共享的；而 读写、写读 、写写 则是互斥的

像JAVA中的ReentrantReadWriteLock就是一种 读写锁