在Java虚拟机（JVM）中，锁机制是确保多线程环境下数据一致性和线程安全的重要手段。随着线程对共享资源的竞争程度不同，JVM中的锁会经历从低级到高级的膨胀过程，以适应不同的并发场景。本文将深入探讨JVM锁的膨胀过程，以及锁在内存中的变化。
一、JVM锁的膨胀过程
JVM中的锁主要分为四种状态：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。这些锁状态之间存在一定的转换关系，通常称为锁的膨胀过程。
- 无锁状态：
- 当对象被创建后，且没有线程对其加锁时，对象处于无锁状态。此时，对象的Mark Word（标记字）中存储的是对象的哈希码、GC年龄等信息。
- 偏向锁状态：
- 当第一个线程尝试获取对象的锁时，JVM会偏向于该线程，并为其分配偏向锁。偏向锁的目的是为了减少锁的竞争，提高系统的并发性能。在偏向锁状态下，对象的Mark Word中会存储偏向线程的ID和偏向锁的标志位。
- 如果后续没有其他线程竞争该锁，那么持有偏向锁的线程可以无阻碍地访问共享资源。
- 轻量级锁状态：
- 当有第二个线程尝试获取已经被偏向锁持有的对象的锁时，偏向锁会升级为轻量级锁。轻量级锁采用CAS（Compare and Swap）操作来尝试获取锁，以减少锁的竞争和系统的开销。
- 在轻量级锁状态下，JVM会在当前线程的栈帧中创建锁记录（Lock Record），并将对象的Mark Word复制到锁记录中。同时，JVM会修改对象的Mark Word，使其指向当前线程的锁记录。
- 如果CAS操作成功，那么当前线程就成功获取了轻量级锁；如果CAS操作失败，说明有其他线程正在竞争该锁，此时轻量级锁可能会升级为重量级锁。
- 重量级锁状态：
- 当多个线程长时间竞争同一个对象的锁时，轻量级锁会升级为重量级锁。重量级锁采用操作系统的互斥量（Mutex）来实现，以确保线程的安全性。
- 在重量级锁状态下，JVM会创建一个等待队列，将等待获取锁的线程挂起在队列中。当持有锁的线程释放锁时，JVM会从等待队列中选择一个线程分配锁。
二、锁内存的变化
随着锁状态的膨胀，对象的内存布局也会发生相应的变化。具体来说：
- 在无锁状态下，对象的Mark Word中主要存储的是对象的哈希码、GC年龄等信息。
- 在偏向锁状态下，Mark Word中会存储偏向线程的ID和偏向锁的标志位。
- 在轻量级锁状态下，Mark Word会被修改为指向当前线程的锁记录的指针。
- 在重量级锁状态下，Mark Word中会存储指向操作系统互斥量的指针，以及等待队列等相关信息。
三、总结
JVM锁的膨胀过程是一个动态适应并发场景的过程。通过从低级到高级的锁状态转换，JVM能够灵活地处理不同级别的并发竞争，以确保数据的一致性和线程的安全性。同时，随着锁状态的膨胀，对象的内存布局也会发生相应的变化，以适应不同的锁状态。了解JVM锁的膨胀过程和锁内存的变化，有助于我们更好地设计和优化多线程程序，提高系统的并发性能和稳定性。
