synchronized锁优化

一、自旋锁与自适应自旋

  1. 自旋锁出现的原因
    互斥同步对性能最大的影响便是阻塞的实现,挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成,这些操作给Java虚拟机的并发性能带来了很大的压力。同时,虚拟机的开发团队也注意到在许多应用上,共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间,为了这段时间去挂起和恢复线程并不值得。
  2. 什么是自旋锁
    当一个线程已经持有锁对象,此时另一个线程来请求该锁对象,我们让后面请求锁的那个线程“稍等一会”,但不放弃CPU的执行时间(即不挂起线程),看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。为了让线程等待,我们只须让线程执行一个忙循环(自旋),这项技术就是所谓的自旋锁。
  3. 自旋锁的优缺点
    自旋等待不能代替阻塞。首先自旋锁要求是在多核CPU场景下,其次虽然自旋等待避免了线程切换的开销,但它是要占用CPU时间的,如果锁被占用的时间很短,那么自旋等待的效果就会非常好,反之如果锁被占用的时间很长,那么自旋的线程只会白白消耗CPU资源,这就会带来资源的浪费。因此等待的时间必须有一定的限度,如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁,就应当使用传统的方式去挂起线程。自旋次数的默认值是10次。
    好比等红灯时汽车是否熄火,不熄火相当于自旋(等待时间短划算),熄火了相当于阻塞(等待时间长划算)。
  4. 自旋锁的优化——自适应自旋
    在同一个锁对象上,如果通过自旋等待刚刚成功获得过锁,那么JVM就会认为这次自旋也很有可能再次成功,进而允许自旋等待持续相对更长的时间,比如持续100次忙循环。另一方面,如果对于某个锁,自旋很少成功获得过锁,那在以后要获取这个锁时将有可能直接忽略掉自旋过程,以避免浪费CPU资源。

二、锁消除
JVM 会进行代码的逃逸分析,例如某个加锁对象是方法内局部变量,不会被其它线程所访问到,这时候就会被即时编译器忽略掉所有同步操作。

三、锁粗化
原则上,同步块的作用范围是越小越好,这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变少,那么即使存在锁竞争,等待锁的线程也能尽可能快地拿到锁。但某些情况下有例外,比如:
new StringBuffer().append("a").append("b").append("c");
此时,JVM会把多次append的加锁操作粗化为一次,因为都是对同一对象加锁,没必要重入多次。

四、轻量级锁

  1. 轻量级锁提升程序同步性能的依据
    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。轻量级锁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。
  2. 轻量级锁的优缺点
    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。
  3. 轻量级锁的工作过程
    加锁过程:
    ● 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”),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;
    ● 然后虚拟机将使用CAS操作尝试把锁对象的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,并且锁对象Mark Word的锁标志位将变为“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该锁对象。虚拟机首先会检查锁对象的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,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。
    解锁过程:
    ● 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操作把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word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。

五、偏向锁

  1. 引入偏向锁的目的
    目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语,进一步提高程序的运行性能。如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量,那偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉,连CAS操作都不去做了。偏向锁中“偏”的意思就是这个锁会偏向于第一个获得它的线程,如果在接下来的执行过程中,该锁一直没有被其他的线程获取,则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。
  2. 偏向锁的工作过程
    ● 当锁对象第一次被线程获取的时候,虚拟机将会把对象头中的标志位设置为“01”、把偏向模式设置为“1”,表示进入偏向模式。同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中。如果CAS操作成功,持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时,虚拟机都可以不再进行任何同步操作(例如加锁、解锁及对Mark Word的更新操作等)。
    ● 一旦出现另外一个线程去尝试获取这个锁的情况,偏向模式就马上宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态决定是否撤销偏向(偏向模式设置为“0”),撤销后标志位恢复到未锁定(标志位为“01”)或轻量级锁定(标志位为“00”)的状态,后续的同步操作就按照上面介绍的轻量级锁那样去执行。
  3. 偏向锁的优缺点
    当一个对象已经计算过一致性哈希码后,它就再也无法进入偏向锁状态了;而当一个对象当前正处于偏向锁状态,又收到需要计算其一致性哈希码请求时,它的偏向状态会被立即撤销,并且锁会膨胀为重量级锁。
    偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能,但它同样是一个带有效益权衡性质的优化,也就是说它并非总是对程序运行有利。如果程序中大多数的锁都总是被多个不同的线程访问(即存在大量锁竞争的情况),那偏向模式就是多余的。
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