synchronized锁的优化

Posted 2023-05-10

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了synchronized锁的优化相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

参考技术A

Java SE 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”。锁一共有四个状态，级别从低到高依次是：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。这个几个状态会随着竞争情况逐渐升级，锁可以升级但不能降级。
Java HotSpot 虚拟机中，每个对象都有对象头（包括 class 指针和 Mark Word）。Mark Word 平时存储这个对象的哈希码、分代年龄，当加锁时，这些信息就根据情况被替换为标记位、线程锁记录指针、重量级锁指针、线程ID 等内容。

1.偏向锁
HotSpot的作者发现，大多数情况下，锁不紧不存在多线程竞争，而且总是被同一个线程多次获得，为了让线程获取锁的代价更低引入了偏向锁。
当一个线程获取锁时，会在对象头和栈帧的锁记录里存储偏向锁的线程id，以后线程再进入和退出锁时，不需要CAS操作来加锁和解锁，只需测试下对象头的Mark Word里是否存储着当前线程id。

2.轻量级锁
当一个线程虽然有多个线程访问，但是访问时间是错开的，这种情况就可以用轻量级锁优化。

3.锁膨胀
如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS操作无法成功，说明这时已经有其他线程加上了轻量级锁，也就是说存在了锁竞争，这时轻量级锁要膨胀成重量级锁。

4.自旋锁
重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。
在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋。

5.其他优化

Java性能之synchronized锁的优化

synchronized / Lock

1.JDK 1.5之前，Java通过synchronized关键字来实现锁功能

synchronized是JVM实现的内置锁，锁的获取和释放都是由JVM隐式实现的

2.JDK 1.5，并发包中新增了Lock接口来实现锁功能

提供了与synchronized类似的同步功能，但需要显式获取和释放锁

3. Lock同步锁是基于Java实现的，而synchronized是基于底层操作系统的Mutex Lock实现的

每次获取和释放锁都会带来用户态和内核态的切换，从而增加系统的性能开销
在锁竞争激烈的情况下，synchronized同步锁的性能很糟糕
在JDK 1.5，在单线程重复申请锁的情况下，synchronized锁性能要比Lock的性能差很多

4.JDK 1.6，Java对synchronized同步锁做了充分的优化，甚至在某些场景下，它的性能已经超越了Lock同步锁

实现原理

public class SyncTest 
 public synchronized void method1() 
 
 public void method2() 
 Object o = new Object();
 synchronized (o) 
 
 

$ javac -encoding UTF-8 SyncTest.java
$ javap -v SyncTest

修饰方法

public synchronized void method1();
 descriptor: ()V
 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
 Code:
 stack=0, locals=1, args_size=1
 0: return

JVM使用ACC_SYNCHRONIZED访问标识来区分一个方法是否为同步方法
在方法调用时，会检查方法是否被设置了ACC_SYNCHRONIZED访问标识

如果是，执行线程会将先尝试持有Monitor对象，再执行方法，方法执行完成后，最后释放Monitor对象

修饰代码块

public void method2();
 descriptor: ()V
 flags: ACC_PUBLIC
 Code:
 stack=2, locals=4, args_size=1
 0: new #2 // class java/lang/Object
 3: dup
 4: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
 7: astore_1
 8: aload_1
 9: dup
 10: astore_2
 11: monitorenter
 12: aload_2
 13: monitorexit
 14: goto 22
 17: astore_3
 18: aload_2
 19: monitorexit
 20: aload_3
 21: athrow
 22: return

synchronized修饰同步代码块时，由monitorenter和monitorexit指令来实现同步
进入monitorenter指令后，线程将持有该Monitor对象，进入monitorexit指令，线程将释放该Monitor对象

管程模型

1.JVM中的同步是基于进入和退出管程（Monitor）对象实现的

2.每个Java对象实例都会有一个Monitor，Monitor可以和Java对象实例一起被创建和销毁

3.Monitor是由ObjectMonitor实现的，对应ObjectMonitor.hpp

4.当多个线程同时访问一段同步代码时，会先被放在EntryList中

5.当线程获取到Java对象的Monitor时（Monitor是依靠底层操作系统的Mutex Lock来实现互斥的）

线程申请Mutex成功，则持有该Mutex，其它线程将无法获取到该Mutex

6.进入WaitSet

竞争锁失败的线程会进入WaitSet
竞争锁成功的线程如果调用wait方法，就会释放当前持有的Mutex，并且该线程会进入WaitSet
进入WaitSet的进程会等待下一次唤醒，然后进入EntryList重新排队

7.如果当前线程顺利执行完方法，也会释放Mutex

8.Monitor依赖于底层操作系统的实现，存在用户态和内核态之间的切换，所以增加了性能开销

ObjectMonitor() 
 _header = NULL;
 _count = 0; // 记录个数
 _waiters = 0,
 _recursions = 0;
 _object = NULL;
 _owner = NULL; // 持有该Monitor的线程
 _WaitSet = NULL; // 处于wait状态的线程，会被加入 _WaitSet
 _WaitSetLock = 0 ;
 _Responsible = NULL ;
 _succ = NULL ;
 _cxq = NULL ;
 FreeNext = NULL ;
 _EntryList = NULL ; // 多个线程访问同步块或同步方法，会首先被加入 _EntryList
 _SpinFreq = 0 ;
 _SpinClock = 0 ;
 OwnerIsThread = 0 ;
 _previous_owner_tid = 0;