無鎖、偏向鎖 、輕量級鎖和重量級鎖這四種鎖是指鎖的狀態，專門針對synchronized的。在介紹這四種鎖狀態之前還需要介紹一些額外的知識。

首先為什么Synchronized能實現線程同步？在回答這個問題之前我們需要了解兩個重要的概念：“Java對象頭”、“Monitor”。

Java對象頭

synchronized是悲觀鎖，在操作同步資源之前需要給同步資源先加鎖，這把鎖就是存在Java對象頭里的，而Java對象頭又是什么呢？

我們以Hotspot虛擬機為例，Hotspot的對象頭主要包括兩部分數據：Mark Word(標記字段)、Klass Pointer(類型指針)。

Mark Word：默認存儲對象的HashCode，分代年齡和鎖標志位信息。這些信息都是與對象自身定義無關的數據，所以Mark Word被設計成一個非固定的數據結構以便在極小的空間內存存儲盡量多的數據。它會根據對象的狀態復用自己的存儲空間，也就是說在運行期間Mark Word里存儲的數據會隨著鎖標志位的變化而變化。

Klass Point：對象指向它的類元數據的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例。

Monitor

Monitor可以理解為一個同步工具或一種同步機制，通常被描述為一個對象。每一個Java對象就有一把看不見的鎖，稱為內部鎖或者Monitor鎖。

Monitor是線程私有的數據結構，每一個線程都有一個可用monitor record列表，同時還有一個全局的可用列表。每一個被鎖住的對象都會和一個monitor關聯，同時monitor中有一個Owner字段存放擁有該鎖的線程的唯一標識，表示該鎖被這個線程占用。

現在話題回到synchronized，synchronized通過Monitor來實現線程同步，Monitor是依賴于底層的操作系統的Mutex Lock(互斥鎖)來實現的線程同步。

如同我們在自旋鎖中提到的“阻塞或喚醒一個Java線程需要操作系統切換CPU狀態來完成，這種狀態轉換需要耗費處理器時間。如果同步代碼塊中的內容過于簡單，狀態轉換消耗的時間有可能比用戶代碼執行的時間還要長”。這種方式就是synchronized最初實現同步的方式，這就是JDK 6之前synchronized效率低的原因。這種依賴于操作系統Mutex Lock所實現的鎖我們稱之為“重量級鎖”，JDK 6中為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級鎖”。

所以目前鎖一共有4種狀態，級別從低到高依次是：無鎖、偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖。鎖狀態只能升級不能降級。

通過上面的介紹，我們對synchronized的加鎖機制以及相關知識有了一個了解，那么下面我們給出四種鎖狀態對應的的Mark Word內容，然后再分別講解四種鎖狀態的思路以及特點：

鎖狀態存儲內容存儲內容

無鎖	對象的hashCode、對象分代年齡、是否是偏向鎖(0)	01
偏向鎖	偏向線程ID、偏向時間戳、對象分代年齡、是否是偏向鎖(1)	01
輕量級鎖	指向棧中鎖記錄的指針	00
重量級鎖	指向互斥量(重量級鎖)的指針	10

無鎖

無鎖沒有對資源進行鎖定，所有的線程都能訪問并修改同一個資源，但同時只有一個線程能修改成功。

無鎖的特點就是修改操作在循環內進行，線程會不斷的嘗試修改共享資源。如果沒有沖突就修改成功并退出，否則就會繼續循環嘗試。如果有多個線程修改同一個值，必定會有一個線程能修改成功，而其他修改失敗的線程會不斷重試直到修改成功。上面我們介紹的CAS原理及應用即是無鎖的實現。無鎖無法全面代替有鎖，但無鎖在某些場合下的性能是非常高的。

偏向鎖

偏向鎖是指一段同步代碼一直被一個線程所訪問，那么該線程會自動獲取鎖，降低獲取鎖的代價。

在大多數情況下，鎖總是由同一線程多次獲得，不存在多線程競爭，所以出現了偏向鎖。其目標就是在只有一個線程執行同步代碼塊時能夠提高性能。

當一個線程訪問同步代碼塊并獲取鎖時，會在Mark Word里存儲鎖偏向的線程ID。在線程進入和退出同步塊時不再通過CAS操作來加鎖和解鎖，而是檢測Mark Word里是否存儲著指向當前線程的偏向鎖。引入偏向鎖是為了在無多線程競爭的情況下盡量減少不必要的輕量級鎖執行路徑，因為輕量級鎖的獲取及釋放依賴多次CAS原子指令，而偏向鎖只需要在置換ThreadID的時候依賴一次CAS原子指令即可。

偏向鎖只有遇到其他線程嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的線程才會釋放鎖，線程不會主動釋放偏向鎖。偏向鎖的撤銷，需要等待全局安全點(在這個時間點上沒有字節碼正在執行)，它會首先暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對象是否處于被鎖定狀態。撤銷偏向鎖后恢復到無鎖(標志位為“01”)或輕量級鎖(標志位為“00”)的狀態。

偏向鎖在JDK 6及以后的JVM里是默認啟用的。可以通過JVM參數關閉偏向鎖：-XX:-UseBiasedLocking=false，關閉之后程序默認會進入輕量級鎖狀態。

輕量級鎖

是指當鎖是偏向鎖的時候，被另外的線程所訪問，偏向鎖就會升級為輕量級鎖，其他線程會通過自旋的形式嘗試獲取鎖，不會阻塞，從而提高性能。

在代碼進入同步塊的時候，如果同步對象鎖狀態為無鎖狀態(鎖標志位為“01”狀態，是否為偏向鎖為“0”)，虛擬機首先將在當前線程的棧幀中建立一個名為鎖記錄(Lock Record)的空間，用于存儲鎖對象目前的Mark Word的拷貝，然后拷貝對象頭中的Mark Word復制到鎖記錄中。

拷貝成功后，虛擬機將使用CAS操作嘗試將對象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針，并將Lock Record里的owner指針指向對象的Mark Word。

如果這個更新動作成功了，那么這個線程就擁有了該對象的鎖，并且對象Mark Word的鎖標志位設置為“00”，表示此對象處于輕量級鎖定狀態。

如果輕量級鎖的更新操作失敗了，虛擬機首先會檢查對象的Mark Word是否指向當前線程的棧幀，如果是就說明當前線程已經擁有了這個對象的鎖，那就可以直接進入同步塊繼續執行，否則說明多個線程競爭鎖。

若當前只有一個等待線程，則該線程通過自旋進行等待。但是當自旋超過一定的次數，或者一個線程在持有鎖，一個在自旋，又有第三個來訪時，輕量級鎖升級為重量級鎖。

重量級鎖

升級為重量級鎖時，鎖標志的狀態值變為“10”，此時Mark Word中存儲的是指向重量級鎖的指針，此時等待鎖的線程都會進入阻塞狀態。

小結

綜上，偏向鎖通過對比Mark Word解決加鎖問題，避免執行CAS操作。而輕量級鎖是通過用CAS操作和自旋來解決加鎖問題，避免線程阻塞和喚醒而影響性能。重量級鎖是將除了擁有鎖的線程以外的線程都阻塞。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的轻量级锁_并发编程实战05：锁的状态的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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