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1、前言
前面一节我们讲到了偏向锁。当偏向锁被撤销，或其他线程竞争的时候，偏向锁会撤销并且升级为轻量级锁。轻量级锁（Lightweight Lock）机制，它是一种介于偏向锁和重量级锁之间的锁实现。
2、轻量级锁
2.1、什么是轻量级锁
轻量级锁（Lightweight Lock）是JDK 6 时加人的新型锁机制，它名字中的“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，因此传统的锁机制就被称为“重量级”锁。不过，需要强调一点，轻量级锁并不是用来代替重量级锁的，它设计的初衷是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。
在无竞争的情况下，轻量级锁使用CAS操作来实现锁的获取和释放，避免了线程的阻塞和唤醒，从而提高了并发性能。
2.2、工作原理
2.2.1、回顾Mark Word
关于HotSpot对象头的具体内容，可以查看《【JUC进阶】03. Java对象头和内存布局》文章。
这里需要注意的是：对于对象头的设计，考虑到JVM的空间使用效率，Mark Word被设计成一个非固定的动态数据结构，以便在极小的空间内存能够存储尽可能多的信息。如32位虚拟机中，对象未被锁定的状态下，有25bit用来存储对象hashcode，而当进入偏向模式后，存储hashcode的内存空间被用来存储线程ID和Epoch。
2.2.2、工作流程
- 初始状态：对象的对象头中的锁标志位为无锁状态。
- 获取锁：当线程尝试获取轻量级锁时，首先会将对象头中的锁标志位复制到线程的栈帧中的锁记录（Lock Record）中。
- CAS操作：线程使用CAS操作将对象头中的锁标志位替换为指向线程栈帧的指针。如果CAS操作成功，表示当前线程成功获取了锁，并进入临界区代码执行。如果CAS操作失败，说明存在竞争，进入下一步操作。
在代码即将进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定(锁标志位为“01”状态)，虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录 (Lock Record)的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝 (官方为这份拷贝加了一个 Displaced 前缀，即 Displaced MarkWord)。
线程堆栈与对象头状态：
然后，虚拟机将使用 CAS 操作尝试把对象的 Mark Word 更新为指向 Lock Record 的指针。如果这个更新动作成功了，即代表该线程拥有了这个对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位 (Mark Word 的最后两个比特)将转变为“00”，表示此对象处于轻量级锁定状态。
如果这个更新操作失败了，那就意味着至少存在一条线程与当前线程竞争获取该对象的锁。
那么，虚拟机首先会检查对象的 Mark Word 是否指向当前线程的栈帧，如果是，说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那直接进入同步块继续执行就可以了。否则就说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果出现两条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（关于锁膨胀，后面会有专门文章来聊聊），锁标志的状态值变为“10”，此时 Mark Word 中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也必须进入阻塞状态。
当CAS操作成功，对象处于轻量级锁状态下，线程堆栈与对象头的状态：
2.3、解锁
上面描述的是轻量级锁的加锁过程，它的解锁过程也同样是通过 CAS 操作来进行的，如果对象的 Mark Word 仍然指向线程的锁记录，那就用CAS操作把对与对象的状态象当前的Mark Word 和线程中复制的Displaced MarkWord 替换回来。假如能够成功替换，那整个同步过程就顺利完成了；如果替换失败，则说明有其他线程尝试过获取该锁，就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。
- 检查是否存在竞争：当线程要释放轻量级锁时，首先会检查自己是否存在竞争，即检查对象头中的锁标志位是否与线程栈帧中的锁记录相等。如果不相等，表示当前线程已经失去了锁的控制权，无法解锁，需要进行额外的处理。
- CAS操作释放锁：如果线程检查通过，说明当前线程仍然持有锁，可以使用CAS操作将对象头中的锁标志位恢复为无锁状态，表示锁已经释放。
- 自旋失败后恢复为重量级锁：如果CAS操作失败，即存在竞争，当前线程会将锁膨胀为重量级锁，进入阻塞状态。
3、适用场景
- 对象锁竞争不激烈：轻量级锁适用于多线程对同一对象进行频繁竞争的情况下。当竞争不激烈时，轻量级锁可以减少线程阻塞和唤醒的开销，提高程序的并发性能。
- 短时间的同步块：轻量级锁适用于同步块的执行时间较短的情况下。由于轻量级锁的获取和释放操作开销较小，适用于保护临界区代码执行时间较短的场景。
- 无锁或偏向锁失败：当对象处于无锁状态或偏向锁状态时，如果有其他线程尝试获取对象的锁，但偏向锁失败，那么会自动升级为轻量级锁。因此，轻量级锁适用于无锁或偏向锁的竞争情况下。
需要注意的是，轻量级锁并不适用于所有场景。当竞争激烈或同步块执行时间较长时，轻量级锁的性能可能不如重量级锁。此时，可以考虑使用其他同步机制，如重量级锁或并发集合类，以满足并发性能的需求。
代码示例：
public class LightweightLockDemo {
private static int count = 0;
public static void main(String[] args) {
final LightweightLockDemo demo = new LightweightLockDemo();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 100000; j++) {
demo.increment();
}
}).start();
}
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Count: " + count);
}
public synchronized void increment() {
count++;
}
}
上面的示例代码中，我们定义了一个LightweightLockDemo类，其中的increment()方法使用synchronized关键字来实现轻量级锁。在main()方法中，我们创建了5个线程，并通过调用increment()方法对count变量进行累加操作。每个线程都会多次调用increment()方法。最后，我们等待2秒钟，确保所有线程执行完毕后，打印出最终的count值。
4、注意事项
在使用轻量级锁时，需要注意以下事项和考虑优化的技巧：
- 减少锁的竞争：轻量级锁的性能取决于锁竞争的程度。因此，减少锁的竞争是提高轻量级锁性能的关键。可以通过减小同步块的粒度、减少锁的持有时间等方式来降低锁竞争。
- 避免锁的扩大：轻量级锁在竞争激烈的情况下可能会退化为重量级锁，这会增加线程的阻塞和唤醒开销。因此，需要尽量避免锁的扩大，即尽量减少锁的竞争范围，仅在必要时才使用锁。
- 注意锁的释放时机：轻量级锁的释放是通过线程解锁和CAS操作实现的。在释放锁之前，需要确保没有其他线程在竞争同一个锁。因此，在释放锁之前要仔细考虑同步块的执行流程，避免出现不正确的解锁操作。
- 合理设置线程优先级：线程的优先级可以影响轻量级锁的竞争情况。在高优先级线程和低优先级线程竞争同一个锁时，高优先级线程更有可能获取到轻量级锁。因此，根据实际需求和线程优先级的设置，合理调整锁的竞争情况。
- 使用适当的锁机制：轻量级锁适用于竞争不激烈、同步块执行时间较短的场景。如果竞争激烈或同步块执行时间较长，可以考虑使用其他锁机制，如重量级锁、读写锁等，以满足性能和并发性的需求。
5、轻量级锁与偏向锁的对比
- 竞争情况：轻量级锁和偏向锁都是为了减少锁竞争而设计的，但适用于不同的竞争情况。偏向锁适用于存在线程间交替获取锁的情况下，锁的竞争程度较低的场景。轻量级锁适用于锁的竞争程度较高的场景。
- 锁状态转换：偏向锁会经历无锁状态、偏向锁状态和轻量级锁状态三个状态的转换。当只有一个线程获取锁时，会进入偏向锁状态，无需加锁和解锁操作。当其他线程竞争同一个锁时，会将偏向锁升级为轻量级锁状态。而轻量级锁则会直接从无锁状态转变为轻量级锁状态。
- 锁的竞争程度：由于偏向锁是针对低竞争场景设计的，所以在竞争激烈的情况下，偏向锁的性能可能不如轻量级锁。轻量级锁采用CAS操作进行加锁和解锁，当多个线程竞争同一个锁时，会进行自旋操作，减少了线程的阻塞和唤醒开销。
- 锁的撤销：偏向锁在发生竞争时需要撤销偏向锁状态，回到无锁状态。而轻量级锁在发生竞争时会退化为重量级锁，需要使用互斥量进行加锁和解锁。因此，偏向锁的撤销操作开销较小，而轻量级锁的撤销操作开销较大。
偏向锁适用于线程间竞争较少的情况下，可以减少不必要的锁操作开销。
轻量级锁适用于锁竞争较多的情况下，通过自旋操作减少线程阻塞和唤醒的开销。
6、小结
轻量级锁能提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”这一经验法则。如果没有竞争，轻量级锁便通过 CAS 操作成功避免了使用互斥量的开销;但如果确实存在锁竞争，除了互斥量的本身开销外，还额外发生了CAS操作的开销。因此在有竞争的情况下，轻量级锁反而会比传统的重量级锁更慢。