前言

本篇文章介紹Java Synchronized鎖優(yōu)化番甩。

1. 鎖是存在哪里的瓮顽，怎么標(biāo)識是什么鎖
2. Monitor機制在Java中怎么表現(xiàn)的
3. 鎖優(yōu)化
4. 鎖升級

1. 鎖存在哪里

• 對象在內(nèi)存中的布局分為三塊區(qū)域:對象頭铁追、實例數(shù)據(jù)和對齊填充驱证。
  Hotspot虛擬機的對象頭主要包括兩部分?jǐn)?shù)據(jù)：Mark Word（標(biāo)記字段）蜻势、Klass Pointer（類型指針）等限，數(shù)組會多1字寬(32位: 4字節(jié))來存儲數(shù)組長度有巧。
• synchronized用的鎖是存在Java對象頭里的释漆。
  其中Klass Point是對象指向它的類元數(shù)據(jù)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篮迎；Mark Word用于存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù)男图，它是實現(xiàn)輕量級鎖和偏向鎖的關(guān)鍵示姿。

JVM中對象頭的方式有以下兩種（以32位JVM為例）：

// 普通對象
|--------------------------------------------------------------|
|                     Object Header (64 bits)                  |
|------------------------------------|-------------------------|
|        Mark Word (32 bits)         |    Klass Word (32 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|

// 數(shù)組對象
|---------------------------------------------------------------------------------|
|                                 Object Header (96 bits)                         |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
|        Mark Word(32bits)       |    Klass Word(32bits) |  array length(32bits)  |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|

• Mark Word
  這部分主要用來存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù)，如hashcode逊笆、gc分代年齡栈戳、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖难裆、偏向線程 ID子檀、偏向時間戳等等。
  mark word的位長度為JVM的一個Word大小乃戈，也就是說32位JVM的Mark word為32位褂痰，64位JVM為64位。
  Mark Word被設(shè)計成一個非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以便在極小的空間內(nèi)存存儲盡量多的數(shù)據(jù)症虑，它會根據(jù)對象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲空間缩歪，為了讓一個字大小存儲更多的信息，JVM將字的最低兩個位設(shè)置為標(biāo)記位谍憔，不同標(biāo)記位下的Mark Word示意如下：

|-------------------------------------------------------|--------------------|
|                  Mark Word (32 bits)                  |       State        |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| identity_hashcode:25 | age:4 | biased_lock:0 |lock:01 |     Normal無鎖      |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|  thread:23 | epoch:2 | age:4 | biased_lock:1| lock:01 |     Biased偏向鎖    |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|               ptr_to_lock_record:30         | lock:00 | Lightweight Locked輕量級鎖 |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|               ptr_to_heavyweight_monitor:30 | lock:10 | Heavyweight Locked重量級鎖 |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|                                             | lock:11 |    Marked for GC   GC標(biāo)記|
|-------------------------------------------------------|--------------------|

image

• lock:2位的鎖狀態(tài)標(biāo)記位匪蝙，由于希望用盡可能少的二進制位表示盡可能多的信息，所以設(shè)置了lock標(biāo)記习贫。該標(biāo)記的值不同逛球，整個mark word表示的含義不同。
• biased_lock：對象是否啟用偏向鎖標(biāo)記苫昌，只占1個二進制位颤绕。為1時表示對象啟用偏向鎖，為0時表示對象沒有偏向鎖蜡歹。
• age：4位的Java對象年齡屋厘。在GC中涕烧，如果對象在Survivor區(qū)復(fù)制一次月而，年齡增加1。當(dāng)對象達(dá)到設(shè)定的閾值時议纯，將會晉升到老年代父款。默認(rèn)情況下，并行GC的年齡閾值為15瞻凤，并發(fā)GC的年齡閾值為6憨攒。由于age只有4位，所以最大值為15阀参，這就是-XX:MaxTenuringThreshold選項最大值為15的原因肝集。
• identity_hashcode：25位的對象標(biāo)識Hash碼，采用延遲加載技術(shù)蛛壳。調(diào)用方法System.identityHashCode()計算杏瞻，并會將結(jié)果寫到該對象頭中所刀。當(dāng)對象被鎖定時，該值會移動到管程Monitor中捞挥。
• thread：持有偏向鎖的線程ID浮创。
• epoch：偏向時間戳。
• ptr_to_lock_record：指向棧中鎖記錄的指針砌函。
• ptr_to_heavyweight_monitor：指向管程Monitor的指針斩披。

2. Monitor機制

Monitor其實是一種同步工具、同步機制讹俊，在Java中垦沉，Object 類本身就是監(jiān)視者對象，Java 對于 Monitor Object 模式做了內(nèi)建的支持仍劈，即每一個Java對象是天生的Monitor乡话，每一個Java對象都有成為Monitor的潛質(zhì)。
并且同時只能有一個線程可以獲得該對象monitor的所有權(quán)耳奕。在線程進入時通過monitorenter嘗試取得對象monitor所有權(quán)绑青，退出時通過monitorexit釋放對象monitor所有權(quán)。

• monitorenter過程如下：
  如果 monitor 的進入數(shù)為0屋群，則該線程進入 monitor闸婴，然后將進入數(shù)設(shè)置為1，該線程即為 monitor 的所有者芍躏；
  如果線程已經(jīng)占有monitor邪乍，只是重新進入，則monitor的進入數(shù)+1对竣；
  如果其他線程已經(jīng)占用 monitor庇楞，則該線程處于阻塞狀態(tài)，直至 monitor 的進入數(shù)為0否纬，再重新嘗試獲得 monitor 的所有權(quán)
• monitorexit：
  執(zhí)行 monitorexit 的線程必須是 objectref 所對應(yīng)的 monitor 的所有者吕晌。執(zhí)行指令時，monitor 的進入數(shù)減1临燃，如果減1后進入數(shù)為0睛驳，則線程退出 monitor，不再是這個 monitor 的所有者膜廊，其他被這個 monitor 阻塞的線程可以嘗試獲取這個 monitor 的所有權(quán)乏沸。

Monitor 是線程私有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每一個線程都有一個可用monitor record列表爪瓜，同時還有一個全局的可用列表蹬跃。
每一個被鎖住的對象都會和一個monitor關(guān)聯(lián)（對象頭的MarkWord中的LockWord指向monitor的起始地址），同時monitor中有一個Owner字段存放擁有該鎖的線程的唯一標(biāo)識铆铆，表示該鎖被這個線程占用蝶缀。

image

• Owner：初始時為NULL表示當(dāng)前沒有任何線程擁有該monitor record辆苔，當(dāng)線程成功擁有該鎖后保存線程唯一標(biāo)識，當(dāng)鎖被釋放時又設(shè)置為NULL扼劈；
• EntryQ：關(guān)聯(lián)一個系統(tǒng)互斥鎖（semaphore）驻啤，阻塞所有試圖鎖住monitor record失敗的線程。
• RcThis：表示blocked或waiting在該monitor record上的所有線程的個數(shù)荐吵。
• Nest：用來實現(xiàn)重入鎖的計數(shù)骑冗。
• HashCode：保存從對象頭拷貝過來的HashCode值（可能還包含GC age）。
• Candidate：用來避免不必要的阻塞或等待線程喚醒先煎，因為每一次只有一個線程能夠成功擁有鎖贼涩，如果每次前一個釋放鎖的線程喚醒所有正在阻塞或等待的線程，會引起不必要的上下文切換（從阻塞到就緒然后因為競爭鎖失敗又被阻塞）從而導(dǎo)致性能嚴(yán)重下降薯蝎。Candidate只有兩種可能的值遥倦，0表示沒有需要喚醒的線程，1表示要喚醒一個繼任線程來競爭鎖占锯。

3. 鎖優(yōu)化

jdk1.6對鎖的實現(xiàn)引入了大量的優(yōu)化袒哥，如自旋鎖、適應(yīng)性自旋鎖消略、鎖消除堡称、鎖粗化、偏向鎖艺演、輕量級鎖等技術(shù)來減少鎖操作的開銷却紧。
鎖主要存在四中狀態(tài)，依次是：無鎖狀態(tài)胎撤、偏向鎖狀態(tài)晓殊、輕量級鎖狀態(tài)、重量級鎖狀態(tài)伤提，他們會隨著競爭的激烈而逐漸升級巫俺。
其中鎖可以升級不可降級，這種策略是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率飘弧。

1. 重量級鎖

monitor 監(jiān)視器鎖本質(zhì)上是依賴操作系統(tǒng)的 Mutex Lock 互斥量 來實現(xiàn)的识藤，我們一般稱之為重量級鎖砚著。因為 OS 實現(xiàn)線程間的切換需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)次伶，這個轉(zhuǎn)換過程成本較高，耗時相對較長稽穆，因此 synchronized 效率會比較低冠王。

2. 輕量級鎖

輕量級鎖，其性能提升的依據(jù)是對于絕大部分的鎖舌镶，在整個生命周期內(nèi)都是不會存在競爭的柱彻，如果沒有競爭豪娜，輕量級鎖就可以使用 CAS 操作避免互斥量的開銷，從而提升效率哟楷。
如果打破這個依據(jù)則除了互斥的開銷外瘤载，還有額外的CAS操作，因此在有多線程競爭的情況下卖擅，輕量級鎖比重量級鎖更慢鸣奔。

• 輕量級鎖的加鎖過程：

  1. 線程在進入到同步代碼塊的時候，JVM 會先在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個名為鎖記錄（Lock Record）的空間惩阶，用于存儲鎖對象當(dāng)前 Mark Word 的拷貝（官方稱為 Displaced Mark Word）挎狸，owner 指針指向?qū)ο蟮?Mark Word。此時堆棧與對象頭的狀態(tài)如圖所示：

     image

  2. JVM 使用 CAS 操作嘗試將對象頭中的 Mark Word 更新為指向 Lock Record 的指針断楷。如果更新成功锨匆，則執(zhí)行步驟3；更新失敗冬筒，則執(zhí)行步驟4

  3. 如果更新成功恐锣，那么這個線程就擁有了該對象的鎖，對象的 Mark Word 的鎖狀態(tài)為輕量級鎖（標(biāo)志位轉(zhuǎn)變?yōu)?00'）舞痰。此時線程堆棧與對象頭的狀態(tài)如圖所示：

     image

  4. 如果更新失敗侥蒙，JVM 首先檢查對象的 Mark Word 是否指向當(dāng)前線程的棧幀
     如果是，就說明當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了該對象的鎖匀奏，那就可以直接進入同步代碼塊繼續(xù)執(zhí)行
     如果不是鞭衩，就說明這個鎖對象已經(jīng)被其他的線程搶占了，當(dāng)前線程會嘗試自旋一定次數(shù)來獲取鎖娃善。如果自旋一定次數(shù) CAS 操作仍沒有成功论衍，那么輕量級鎖就要升級為重量級鎖（鎖的標(biāo)志位轉(zhuǎn)變?yōu)?10'），Mark Word 中存儲的就是指向重量級鎖的指針聚磺，后面等待鎖的線程也就進入阻塞狀態(tài)

• 輕量級鎖的解鎖過程：

  1. 通過 CAS 操作用線程中復(fù)制的 Displaced Mark Word 中的數(shù)據(jù)替換對象當(dāng)前的 Mark Word
  2. 如果替換成功坯台，整個同步過程就完成了
  3. 如果替換失敗，說明有其他線程嘗試過獲取該鎖瘫寝，那就在釋放鎖的同時蜒蕾，喚醒被掛起的線程

3. 偏向鎖

依據(jù)：對于絕大部分鎖，在整個同步周期內(nèi)不僅不存在競爭焕阿，而且總由同一線程多次獲得咪啡。
在一些情況下總是同一線程多次獲得鎖，此時第二次再重新做CAS修改對象頭中的Mark Word這樣的操作暮屡，有些多余撤摸。所以就有了偏向鎖，只需要檢查是否為偏向鎖、鎖標(biāo)識為以及ThreadID即可准夷，只要是同一線程就不再修改對象頭钥飞。其目的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(zhí)行路徑。

• 偏向鎖枷鎖過程：

  1. 檢測Mark Word是否為可偏向狀態(tài)衫嵌，即是否為偏向鎖1读宙，鎖標(biāo)識位為01；
  2. 若為可偏向狀態(tài)楔绞，則測試線程ID是否為當(dāng)前線程ID论悴，如果是，則執(zhí)行步驟（5）墓律，否則執(zhí)行步驟（3）膀估；
  3. 如果線程ID不為當(dāng)前線程ID，則通過CAS操作競爭鎖耻讽，競爭成功察纯，則將Mark Word的線程ID替換為當(dāng)前線程ID，否則執(zhí)行線程（4）针肥；
  4. 通過CAS競爭鎖失敗饼记，證明當(dāng)前存在多線程競爭情況，當(dāng)?shù)竭_(dá)全局安全點慰枕，獲得偏向鎖的線程被掛起具则，偏向鎖升級為輕量級鎖，然后被阻塞在安全點的線程繼續(xù)往下執(zhí)行同步代碼塊具帮；
  5. 執(zhí)行同步代碼塊

• 偏向鎖釋放過程：

  1. 當(dāng)一個線程已經(jīng)持有偏向鎖博肋，而另外一個線程嘗試競爭偏向鎖時，CAS 替換 ThreadID 操作失敗蜂厅，則開始撤銷偏向鎖匪凡。偏向鎖的撤銷，需要等待原持有偏向鎖的線程到達(dá)全局安全點（在這個時間點上沒有字節(jié)碼正在執(zhí)行）掘猿，暫停該線程病游，并檢查其狀態(tài)
  2. 如果原持有偏向鎖的線程不處于活動狀態(tài)或已退出同步代碼塊，則該線程釋放鎖稠通。將對象頭設(shè)置為無鎖狀態(tài)（鎖標(biāo)志位為'01'衬衬，是否偏向標(biāo)志位為'0'）
  3. 如果原持有偏向鎖的線程未退出同步代碼塊，則升級為輕量級鎖（鎖標(biāo)志位為'00'）

4. 總結(jié)

鎖主要存在四中狀態(tài)改橘，依次是：無鎖狀態(tài)滋尉、偏向鎖狀態(tài)、輕量級鎖狀態(tài)唧龄、重量級鎖狀態(tài)兼砖，其升級如下圖所示：

image

image

其他優(yōu)化

• 自旋鎖：
  互斥同步時奸远，掛起和恢復(fù)線程都需要切換到內(nèi)核態(tài)完成既棺，這對性能并發(fā)帶來了不少的壓力讽挟。同時在許多應(yīng)用上，共享數(shù)據(jù)的鎖定狀態(tài)只會持續(xù)很短的一段時間丸冕，為了這段較短的時間而去掛起和恢復(fù)線程并不值得耽梅。那么如果有多個線程同時并行執(zhí)行，可以讓后面請求鎖的線程通過自旋（CPU忙循環(huán)執(zhí)行空指令）的方式稍等一會兒胖烛，看看持有鎖的線程是否會很快的釋放鎖眼姐，這樣就不需要放棄 CPU 的執(zhí)行時間了。

• 適應(yīng)性自旋：
  自旋時如果鎖被占用的時間比較短佩番，那么自旋等待的效果就會比較好众旗，而如果鎖占用的時間很長，自旋的線程則會白白浪費 CPU 資源趟畏。解決這個問題的最簡答的辦法就是：指定自旋的次數(shù)贡歧，如果在限定次數(shù)內(nèi)還沒獲取到鎖（例如10次），就按傳統(tǒng)的方式掛起線程進入阻塞狀態(tài)赋秀。
  JDK1.6 之后引入了自適應(yīng)性自旋的方式利朵，如果在同一鎖對象上，一線程自旋等待剛剛成功獲得鎖猎莲，并且持有鎖的線程正在運行中绍弟，那么 JVM 會認(rèn)為這次自旋也有可能再次成功獲得鎖，進而允許自旋等待相對更長的時間（例如100次）著洼。另一方面樟遣，如果某個鎖自旋很少成功獲得，那么以后要獲得這個鎖時將省略自旋過程身笤，以避免浪費 CPU年碘。

• 鎖消除
  虛擬機即時編譯器(JIT)運行時，依據(jù)逃逸分析的數(shù)據(jù)檢測到不可能存在競爭的鎖展鸡，就自動將該鎖消除)屿衅。鎖消除的依據(jù)是逃逸分析的數(shù)據(jù)支持。
  如果判斷一段代碼中莹弊，堆上的數(shù)據(jù)不會逃逸出去從而被其他線程訪問到涤久，則可以把他們當(dāng)做棧上的數(shù)據(jù)對待，認(rèn)為它們是線程私有的忍弛，不必要加鎖响迂。
  如下所示，在 StringBuffer.append() 方法中有一個同步代碼塊细疚，鎖就是sb對象蔗彤，但 sb 的所有引用不會逃逸到 concatString() 方法外部，其他線程無法訪問它。因此這里有鎖然遏，但是在即時編譯之后贫途，會被安全的消除掉，忽略掉同步而直接執(zhí)行了待侵。

public String concatString(String s1, String s2, String s3) {
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append("a");
    sb.append("b");
    sb.append("c");
    return sb.toString();
}

• 鎖粗化
  鎖粗化就是 JVM 檢測到一串零碎的操作都對同一個對象加鎖丢早，則會把加鎖同步的范圍粗化到整個操作序列的外部。
  以上述 concatString() 方法為例秧倾，內(nèi)部的 StringBuffer.append() 每次都會加鎖怨酝，將會鎖粗化，在第一次 append() 前至 最后一個 append() 后只需要加一次鎖就可以了那先。

結(jié)語

本篇文章介紹了JVM對Synchronized進行的鎖優(yōu)化农猬。自旋到自適應(yīng)自旋、鎖消除和鎖粗化售淡，從無鎖到偏向鎖斤葱、輕量級鎖，都在避免線程進入內(nèi)核態(tài)進行的切換勋又。針對各種情況做的優(yōu)化苦掘，