鎖優(yōu)化

自旋鎖與自適應(yīng)鎖

互斥同步對(duì)性能最大的影響是阻塞的實(shí)現(xiàn)会通，掛起線程和恢復(fù)線程的操作都需要轉(zhuǎn)入內(nèi)核態(tài)中完成，這些操作給系統(tǒng)的并發(fā)性能帶來(lái)了很大的壓力传趾。如果物理機(jī)器有一個(gè)以上的處理器永脓，能讓兩個(gè)或以上的線程同時(shí)并行執(zhí)行，我們就可以讓后面請(qǐng)求鎖的那個(gè)線程“稍等一下”贸宏，但不放棄處理器的執(zhí)行時(shí)間造寝，看看持有鎖的線程是否很快就會(huì)釋放鎖。為了讓線程等待吭练，我們只需讓線程執(zhí)行一個(gè)忙循環(huán)（自旋）诫龙，這項(xiàng)技術(shù)就是所謂的自旋鎖。

自旋等待不能代替阻塞鲫咽，且先不說(shuō)對(duì)處理器數(shù)量的要求签赃，自旋等待本身雖然避免了線程切換的開(kāi)銷(xiāo)，但它是要占用處理器時(shí)間的分尸，因此锦聊，如果鎖被占用的時(shí)間很短，自旋等待的效果就會(huì)非常好箩绍，反之孔庭，如果鎖被占用的時(shí)間很長(zhǎng)，那么自旋的線程只會(huì)白白消耗處理器資源材蛛，而不會(huì)做任何有用的工作圆到，反而帶來(lái)性能上的浪費(fèi)。因此卑吭，自旋等待的時(shí)間必須要有一定的限度构资，如果自旋等待超過(guò)了限定的次數(shù)仍然沒(méi)有成功獲得鎖，就應(yīng)當(dāng)使用傳統(tǒng)的方式去掛起線程了陨簇。

在JDK 1.6中引入了自適應(yīng)的自旋鎖。自適應(yīng)意味著自旋的時(shí)間不再固定了，而是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的持有者的狀態(tài)來(lái)決定河绽。如果在同一個(gè)鎖對(duì)象上己单，自旋等待剛剛成功獲得過(guò)鎖，并且持有鎖的線程正在運(yùn)行中耙饰，那么虛擬機(jī)就會(huì)認(rèn)為這次自旋也很有可能再次成功纹笼，進(jìn)而它將允許自旋等待持續(xù)相對(duì)更長(zhǎng)的時(shí)間。另外苟跪，如果對(duì)于某個(gè)鎖廷痘，自旋很少成功獲得過(guò)，那在以后要獲取這個(gè)鎖時(shí)將可能省略掉自旋過(guò)程件已，以避免浪費(fèi)處理器資源笋额。有了自適應(yīng)自旋，隨著程序運(yùn)行和性能監(jiān)控信息的不斷完善篷扩，虛擬機(jī)對(duì)程序鎖的狀況預(yù)測(cè)就會(huì)越來(lái)越準(zhǔn)確兄猩，虛擬機(jī)就會(huì)變得越來(lái)越“聰明”了。

鎖消除

鎖消除是指虛擬機(jī)即時(shí)編譯器在運(yùn)行時(shí)吟宦，對(duì)一些代碼上要求同步烹笔，但是被檢測(cè)到不可能存在共享數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的鎖進(jìn)行消除歹颓。鎖消除的主要判斷依據(jù)來(lái)源于逃逸分析的數(shù)據(jù)支持，如果判斷在一段代碼中淹真，堆上的所有數(shù)據(jù)都不會(huì)逃逸出去從而被其他線程訪問(wèn)到，那就可以把它們當(dāng)作棧上數(shù)據(jù)對(duì)待连茧，認(rèn)為它們是線程私有的核蘸，同步加鎖自然就無(wú)須進(jìn)行。

一段看起來(lái)沒(méi)有同步的代碼

public String concatString(String s1, String s2, String s3) {
        return s1+s2+s3;
}

由于String是一個(gè)不可變的類梅屉，對(duì)字符串的連接操作總是通過(guò)生產(chǎn)新的String對(duì)象來(lái)進(jìn)行的值纱，因此Javac編譯器會(huì)對(duì)String連接做自動(dòng)優(yōu)化。在JDK 1.5之前坯汤，會(huì)轉(zhuǎn)化為StringBuffer對(duì)象的連續(xù)append()操作虐唠，在JDK 1.5及之后的版本中，會(huì)轉(zhuǎn)化為StringBuilder對(duì)象的連續(xù)append()操作惰聂，即上述代碼可能會(huì)變成下面代碼的樣子疆偿。

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

每個(gè)StringBuffer.append()方法中都有一個(gè)同步塊，鎖就是sb對(duì)象搓幌。虛擬機(jī)觀察變量sb杆故，很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的動(dòng)態(tài)作用域被限制在concatString()內(nèi)部。也就是說(shuō)溉愁，sb的所有引用永遠(yuǎn)不會(huì)“逃逸”到concatString()方法之外处铛，其他線程無(wú)法訪問(wèn)到它，因此，雖然這里有鎖撤蟆，但是可以被安全的消除掉奕塑，在即時(shí)編譯之后，這段代碼就會(huì)忽略掉所有的同步而直接執(zhí)行了家肯。

鎖粗化

原則上龄砰，我們?cè)诰帉?xiě)代碼的時(shí)候，總是推薦將同步塊的作用范圍限制的盡量小——只在共享數(shù)據(jù)的實(shí)際作用域中才進(jìn)行同步讨衣，這樣是為了使得需要同步的操作數(shù)量盡可能變小换棚，如果存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，那等待鎖的線程也能盡快拿到鎖反镇。

大部分情況下固蚤，上面的原則都是正確的，但是如果一系列的連續(xù)操作都對(duì)同一個(gè)對(duì)象反復(fù)加鎖和解鎖愿险，甚至加鎖操作是出現(xiàn)在循環(huán)體中的颇蜡，那即使沒(méi)有線程競(jìng)爭(zhēng)，頻繁的進(jìn)行互斥同步操作也會(huì)導(dǎo)致不必要的性能損耗辆亏。上面代碼清單中的append()方法风秤，就屬于這類情況。如果虛擬機(jī)探測(cè)到有這樣一串零碎的操作都對(duì)同一個(gè)對(duì)象加鎖扮叨，將會(huì)把加鎖同步的范圍擴(kuò)展到整個(gè)操作序列的外部缤弦，以上面代碼為例，就是擴(kuò)展到第一個(gè)append()操作之前直至最后一個(gè)append()操作之后彻磁，這樣只需要加鎖一次就可以了碍沐。

輕量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖是JDK 1.6之中加入的新型鎖機(jī)制，它名字中的“輕量級(jí)”是相對(duì)于使用操作系統(tǒng)互斥量來(lái)實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)鎖而言的衷蜓，因此傳統(tǒng)的鎖機(jī)制就稱為“重量級(jí)”鎖累提。首先需要強(qiáng)調(diào)的是，輕量級(jí)鎖并不是用來(lái)代替重量級(jí)鎖的磁浇，它的本意是在沒(méi)有多線程競(jìng)爭(zhēng)的前提下斋陪，減少傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能消耗。

HotSpot虛擬機(jī)的對(duì)象頭（Object Header）分為兩部分信息置吓，第一部分用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)无虚，如哈希碼（HashCode)、GC分代年齡（Generational GC Age）等衍锚，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度在32位和64位的虛擬機(jī)中分別為32bit和64bit友题，官方稱它為“Mark Word”，它是實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)鎖和偏向鎖的關(guān)鍵戴质。另外一部分用于存儲(chǔ)指向方法區(qū)對(duì)象類型數(shù)據(jù)的指針度宦，如果是數(shù)組對(duì)象的話踢匣，還會(huì)有一個(gè)額外的部分用于存儲(chǔ)數(shù)組長(zhǎng)度。

對(duì)象頭信息是與對(duì)象自身定義的數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)的額外存儲(chǔ)成本斗埂，考慮到虛擬機(jī)的空間效率符糊，Mark Word被設(shè)計(jì)成一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以便在極小的空間內(nèi)存儲(chǔ)盡量多的信息，它會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間呛凶。例如，在32位的HotSpot虛擬機(jī)中對(duì)象未被鎖定的狀態(tài)下行贪，Mark Word的32bit空間中的25bit用于存儲(chǔ)對(duì)象哈希碼（HashCode）漾稀，4bit用于存儲(chǔ)對(duì)象分代年齡，2bit用于存儲(chǔ)鎖標(biāo)志位建瘫，1bit固定為0,在其他狀態(tài)（輕量級(jí)鎖定崭捍、重量級(jí)鎖定、GC標(biāo)記啰脚、可偏向）下對(duì)象的存儲(chǔ)內(nèi)容見(jiàn)下表殷蛇。

在輕量級(jí)鎖的執(zhí)行過(guò)程上荸实，在代碼進(jìn)入同步塊的時(shí)候匀们，如果此同步對(duì)象沒(méi)有被鎖定（鎖標(biāo)志位為“01”狀態(tài)），虛擬機(jī)首先將在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個(gè)名為鎖記錄（Lock Record）的空間准给，用于存儲(chǔ)鎖對(duì)象目前的Mark Word的拷貝（官方將這份拷貝加了一個(gè)Displaced前綴泄朴，即Displaced Mark Word），這時(shí)候線程堆棧與對(duì)象頭的狀態(tài)如圖所示露氮。

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然后祖灰，虛擬機(jī)將使用CAS操作嘗試將對(duì)象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針。如果這個(gè)更新動(dòng)作成功了畔规，那么這個(gè)線程就擁有了該對(duì)象的鎖局扶，并且對(duì)象Mark Word的鎖標(biāo)志位將轉(zhuǎn)變?yōu)椤?0”，即表示此對(duì)象處于輕量級(jí)鎖定狀態(tài)油讯，這時(shí)候線程堆棧與對(duì)象頭的狀態(tài)如圖所示详民。

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如果這個(gè)更新操作失敗了，虛擬機(jī)首先會(huì)檢查對(duì)象的Mark Word是否指向當(dāng)前線程的棧幀陌兑，如果指向沈跨，則說(shuō)明當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了這個(gè)對(duì)象的鎖，那就直接進(jìn)入同步塊繼續(xù)執(zhí)行兔综，否則說(shuō)明這個(gè)鎖對(duì)象已經(jīng)被其他線程搶占了饿凛。如果有兩條以上的線程爭(zhēng)用同一個(gè)鎖狞玛，那輕量級(jí)鎖就不再有效，要膨脹為重量級(jí)鎖涧窒，鎖標(biāo)志的狀態(tài)值變?yōu)椤?0”心肪，Mark Word中存儲(chǔ)的就是指向重量級(jí)鎖的指針，后面等待鎖的線程也要進(jìn)入阻塞狀態(tài)纠吴。

上面描述的是輕量級(jí)鎖的加鎖過(guò)程硬鞍，它的解鎖過(guò)程也是通過(guò)CAS操作來(lái)進(jìn)行的，如果對(duì)象的Mark Word仍然指向線程的鎖記錄戴已，那就用CAS操作把對(duì)象當(dāng)前的Mark Word和線程中復(fù)制的Displaced Mark Word替換回來(lái)固该，如果替換成功，整個(gè)同步過(guò)程就完成了糖儡。如果替換失敗伐坏，說(shuō)明有其他線程嘗試過(guò)獲取該鎖，那就要在釋放鎖的同時(shí)握联，喚醒被掛起的線程桦沉。

如果沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)，輕量級(jí)鎖使用CAS操作避免了使用互斥量的開(kāi)銷(xiāo)金闽，但如果存在鎖競(jìng)爭(zhēng)纯露，除了互斥量的開(kāi)銷(xiāo)外，還額外發(fā)生了CAS操作呐矾，因此在有競(jìng)爭(zhēng)的情況下苔埋，輕量級(jí)鎖會(huì)比傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖更慢。

偏向鎖

偏向鎖是JDK 1.6中引入的一項(xiàng)鎖優(yōu)化蜒犯，它的目的是消除數(shù)據(jù)在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)情況下的同步原語(yǔ)组橄，進(jìn)一步提高程序的運(yùn)行性能。如果說(shuō)輕量級(jí)鎖是在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的情況下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量罚随，那偏向鎖就是在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的情況下把整個(gè)同步都消除掉玉工，連CAS操作都不做了。

偏向鎖會(huì)偏向于第一個(gè)獲得它的線程淘菩，如果在接下來(lái)的執(zhí)行過(guò)程中遵班，該鎖沒(méi)有被其他的線程獲取，則持有偏向鎖的線程將永遠(yuǎn)不需要再進(jìn)行同步潮改。

當(dāng)鎖對(duì)象第一次被線程獲取的時(shí)候狭郑，虛擬機(jī)會(huì)把對(duì)象頭中的標(biāo)志位設(shè)為“01”，即偏向模式汇在。同時(shí)使用CAS操作把獲取到這個(gè)鎖的線程的ID記錄在對(duì)象的Mark Word之中翰萨，如果CAS操作成功，持有偏向鎖的線程以后每次進(jìn)入這個(gè)鎖相關(guān)的同步塊時(shí)糕殉，虛擬機(jī)都可以不再進(jìn)行任何同步操作亩鬼。

當(dāng)有另外一個(gè)線程去嘗試獲取這個(gè)鎖時(shí)殖告，偏向模式就宣告結(jié)束。根據(jù)鎖對(duì)象目前是否處于被鎖定的狀態(tài)雳锋，撤銷(xiāo)偏向后恢復(fù)到未鎖定（標(biāo)志位“01”）或輕量級(jí)鎖定（標(biāo)志位“00”）的狀態(tài)黄绩，后續(xù)的同步操作就如上面介紹的輕量級(jí)鎖那樣執(zhí)行。偏向鎖玷过、輕量級(jí)鎖的狀態(tài)轉(zhuǎn)化及對(duì)象Mark Word的關(guān)系如圖所示爽丹。

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偏向鎖可以提高帶有同步但無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的程序性能。它同樣是一個(gè)帶有效益權(quán)衡性質(zhì)的優(yōu)化冶匹，也就是說(shuō)习劫，它并不一定總是對(duì)程序運(yùn)行有利，如果程序中大多數(shù)的鎖總是被多個(gè)不同的線程訪問(wèn)嚼隘，那偏向模式就是多余的。