浅谈自旋锁和 JVM 对锁的优化

Posted 2022-09-23

背景

先上图

由此可见，非自旋锁如果拿不到锁会把线程阻塞，直到被唤醒；自旋锁拿不到锁会一直尝试

为什么要这样？

好处

阻塞和唤醒线程都是需要高昂的开销的，如果同步代码块中的内容不复杂，那么可能转换线程带来的开销比实际业务代码执行的开销还要大。

在很多场景下，可能我们的同步代码块的内容并不多，所以需要的执行时间也很短，如果我们仅仅为了这点时间就去切换线程状态，那么其实不如让线程不切换状态，而是让它自旋地尝试获取锁，等待其他线程释放锁，有时我只需要稍等一下，就可以避免上下文切换等开销，提高了效率。

用一句话总结自旋锁的好处，那就是自旋锁用循环去不停地尝试获取锁，让线程始终处于 Runnable 状态，节省了线程状态切换带来的开销。

AtomicLong 的实现

getAndIncrement 方法

public final long getAndIncrement() 
    return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, 1L);

复制代码

public final long getAndAddLong(Object o, long offset, long delta) 
    long v;
    do 
        v = getLongVolatile(o, offset);
        //如果修改过程中遇到其他线程竞争导致没修改成功，死循环，直到修改成功为止
     while (!compareAndSwapLong(o, offset, v, v + delta));
    return v;

复制代码

实验

package com.reflect;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

class ReentrantSpinLock 
    private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>();
    private int count = 0;

    public void lock() 
        Thread t = Thread.currentThread();
        if (t == owner.get()) 
            ++count;
            return;
        
        while (!owner.compareAndSet(null, t)) 
            System.out.println("自旋了");
        
    

    public void unlock() 
        Thread t = Thread.currentThread();
        if (t == owner.get()) 
            if (count > 0) 
                --count;
             else 
                owner.set(null);
            
        
    

    public static void main(String[] args) 
        ReentrantSpinLock spinLock = new ReentrantSpinLock();
        Runnable runnable = new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始尝试获 取自旋锁");
                spinLock.lock();
                try 
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到 了自旋锁");
                    Thread.sleep(4000);
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                 finally 
                    spinLock.unlock();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了 了自旋锁");
                
            
        ;
        Thread thread1 = new Thread(runnable);
        Thread thread2 = new Thread(runnable);
        thread1.start();
        thread2.start();
    

复制代码

很多 "自旋了"，说明自旋期间 CPU 依然在不停运转

缺点

虽然避免了线程切换的开销，但是在避免线程切换开销的同时带来新的开销：不停尝试获取锁，如果这个锁一直不能被释放那么这种尝试知识无用的尝试，浪费处理器资源，就是说一开始自旋锁开销低于线程切换，但是随着时间增加，这种开销后期甚至超过线程切换的开销，得不偿失

适用场景

• 并发不是特别高的场景
• 临界区比较短小的情况，利用避免线程切换提高效率

如果临界区很大，线程拿到锁很久才释放，那自旋会一直占用 CPU 但无法拿到锁，浪费资源

JVM 对锁做了哪些优化？

相比于 JDK 1.5，在 JDK 1.6 中 HotSopt 虚拟机对 synchronized 内置锁的性能进行了很多优化，包括自适应的自旋、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等。有了这些优化措施后，synchronized 锁的性能得到了大幅提高，下面我们分别介绍这些具体的优化。

自适应的自旋锁

在 JDK 1.6 中引入了自适应的自旋锁来解决长时间自旋的问题。自适应意味着自旋的时间不再固定，而是会根据最近自旋尝试的成功率、失败率，以及当前锁的拥有者的状态等多种因素来共同决定。自旋的持续时间是变化的，自旋锁变 “聪明” 了。比如，如果最近尝试自旋获取某一把锁成功了，那么下一次可能还会继续使用自旋，并且允许自旋更长的时间；但是如果最近自旋获取某一把锁失败了，那么可能会省略掉自旋的过程，以便减少无用的自旋，提高效率。

锁消除

public class Person 
    private String name;
    private int age;

    public Person(String personName, int personAge) 
        name = personName;
        age = personAge;
    

    public Person(Person p) 
        this(p.getName(), p.getAge());
    

    public String getName() 
        return name;
    

    public int getAge() 
        return age;
    


class Employee 
    private Person person;

    public Person getPerson() 
        return new Person(person);
    

    public void printEmployeeDetail(Employee emp) 
        Person person = emp.getPerson();
        System.out.println("Employees name: " + person.getName() + "; age: " + person.getAge());
    

复制代码

在这段代码中，我们看到下方的 Employee 类中的 getPerson () 方法，这个方法中使用了类里面的 person 对象，并且新建一个和它属性完全相同的新的 person 对象，目的是防止方法调用者修改原来的 person 对象。但是在这个例子中，其实是没有任何必要新建对象的，因为我们的 printEmployeeDetail () 方法没有对这个对象做出任何的修改，仅仅是打印，既然如此，我们其实可以直接打印最开始的 person 对象，而无须新建一个新的。

如果编译器可以确定最开始的 person 对象不会被修改的话，它可能会优化并且消除这个新建 person 的过程。根据这样的思想，接下来我们就来举一个锁消除的例子，，经过逃逸分析之后，如果发现某些对象不可能被其他线程访问到，那么就可以把它们当成栈上数据，栈上数据由于只有本线程可以访问，自然是线程安全的，也就无需加锁，所以会把这样的锁给自动去除掉。

例如，我们的 StringBuffffer 的 append 方法如下所示：

@Override
public synchronized StringBuffer append(Object obj) 
    toStringCache = null;
    super.append(String.valueOf(obj));
    return this;

复制代码

从代码中可以看出，这个方法是被 synchronized 修饰的同步方法，因为它可能会被多个线程同时使用。

但是在大多数情况下，它只会在一个线程内被使用，如果编译器能确定这个 StringBuffffer 对象只会在一个线程内被使用，就代表肯定是线程安全的，那么我们的编译器便会做出优化，把对应的 synchronized 给消除，省去加锁和解锁的操作，以便增加整体的效率。

锁粗化

释放了锁，紧接着什么都没做，又重新获取锁

public void lockCoarsening()  
    synchronized (this)  
     
    synchronized (this)  
     
    synchronized (this)  
     

复制代码

那么其实这种释放和重新获取锁是完全没有必要的，如果我们把同步区域扩大，也就是只在最开始加一次锁，并且在最后直接解锁，那么就可以把中间这些无意义的解锁和加锁的过程消除，相当于是把几个 synchronized 块合并为一个较大的同步块。这样做的好处在于在线程执行这些代码时，就无须频繁申请与释放锁了，这样就减少了性能开销。

不过，我们这样做也有一个副作用，那就是我们会让同步区域变大。如果在循环中我们也这样做，如代码所示：

for (int i = 0; i < 1000; i++)  
    synchronized (this)  
     

复制代码

也就是我们在第一次循环的开始，就开始扩大同步区域并持有锁，直到最后一次循环结束，才结束同步代码块释放锁的话，这就会导致其他线程长时间无法获得锁。所以，这里的锁粗化不适用于循环的场景，仅适用于非循环的场景。

锁粗化功能是默认打开的，用 -XX:-EliminateLocks 可以关闭该功能

偏向锁 / 轻量级锁 / 重量级锁

这三种锁是特指 synchronized 锁的状态，通过在对象头中的 mark word 来表明锁的状态

• 偏向锁

对于偏向锁而言，它的思想是如果自始至终，对于这把锁都不存在竞争，那么其实就没必要上锁，只要打个标记就行了。一个对象在被初始化后，如果还没有任何线程来获取它的锁时，它就是可偏向的，当有第一个线程来访问它尝试获取锁的时候，它就记录下来这个线程，如果后面尝试获取锁的线程正是这个偏向锁的拥有者，就可以直接获取锁，开销很小。

• 轻量级锁

JVM 的开发者发现在很多情况下，synchronized 中的代码块是被多个线程交替执行的，也就是说，并不存在实际的竞争，或者是只有短时间的锁竞争，用 CAS 就可以解决。这种情况下，重量级锁是没必要的。轻量级锁指当锁原来是偏向锁的时候，被另一个线程所访问，说明存在竞争，那么偏向锁就会升级为轻量级锁，线程会通过自旋的方式尝试获取锁，不会阻塞

• 重量级锁

这种锁利用操作系统的同步机制实现，所以开销比较大。当多个线程直接有实际竞争，并且锁竞争时间比较长的时候，此时偏向锁和轻量级锁都不能满足需求，锁就会膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请却拿不到锁的线程进入阻塞状态。

锁升级

偏向锁性能最好，避免了 CAS 操作。而轻量级锁利用自旋和 CAS 避免了重量级锁带来的线程阻塞和唤醒，性能中等。重量级锁则会把获取不到锁的线程阻塞，性能最差。

JVM 默认会优先使用偏向锁，如果有必要的话才逐步升级，这大幅提高了锁的性能

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