并发编程之synchronized------jvm对synchronized的优化

Posted 2020-12-16 jihuifeng

一、锁的粗化

看如下代码

public class Test {
    StringBuffer stb = new StringBuffer();


    public void test1(){
        //jvm的优化，锁的粗化
        stb.append("1");

        stb.append("2");

        stb.append("3");

        stb.append("4");
    }

首先我们要清除StringBuffer是线程安全的，因为它在每一个方法上都加了synchronized锁，下图是StringBuffer的源码

 

 按照正常的理解synchronized是对当前对象加锁，那么我们调用了四次append方法，那么jvm是将这把对象锁加了四次吗？如下图：

 

 那这样的化，jvm就需要加四次锁，当然也要释放四次锁，频繁加解锁引起线程上下文的切换，非常消耗性能，所以jvm做了优化，只加一次锁，叫做锁的粗化，可以理解为将锁的颗粒度放大

 二、锁的消除

如图看下面代码

 public void test2(){
        //jvm的优化，JVM不会对同步块进行加锁
        synchronized (new Object()) {
            //伪代码：很多逻辑
            //jvm是否会加锁？
            //jvm会进行逃逸分析
        }
    }

这个地方加锁等于没有加锁，因为每个线程都会new object，大家都不会用同一把锁，jvm分析优化后不会对这种代码加锁（逃逸分析），所以，我们平时加锁一定要注意，加锁要加同一把锁。

三、锁的膨胀升级

1、锁的升级

synchronized的锁的状态总共有四种，无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁，但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，锁状态的升级不可逆。

 

 

 

JDK1.6版本之后对synchronized的实现进行了各种优化，如自旋锁、偏向锁和轻量级锁 并默认开启偏向锁 开启偏向锁：-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking。如果直接上来就是重量级锁，那么实在是太消耗资源了。

2、锁的状态记录在哪里

HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分是“Mark Word”，用于存储对象自身的运行时数据， 如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（暂 不考虑开启压缩指针的场景）中分别为32个和64个Bits，官方称它为“Mark Word”。

 

 3、对锁的理解：

(1)、偏向锁,偏向锁是Java 6之后加入的新锁，它是一种针对加锁操作的优化手段，经过研究发现，在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能。所以，对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果，毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就失效了，因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的，因此这种场合下不应该使用偏向锁，否则会得不偿失，需要注意的是，偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。下面我们接着了解轻量级锁。

（2）轻量级锁 、倘若偏向锁失败，虚拟机并不会立即升级为重量级锁，它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的)，此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争”，注意这是经验数据。需要了解的是，轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

（3）自旋锁轻量级锁失败后，虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起，还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于在大多数情况下，线程持有锁的时间都不会太长，如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失，毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高，因此自旋锁会假设在不久将来，当前的线程可以获得锁，因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因)，一般不会太久，可能是50个循环或100循环，在经过若干次循环后，如果得到锁，就顺利进入临界区。如果还不能获得锁，那就会将线程在操作系统层面挂起，这就是自旋锁的优化方式，这种方式确实也是可以提升效率的。最后没办法也就只能升级为重量级锁了。

4、锁的膨胀升级过程

 

 

 

注意一下几点：

线程1获取轻量级锁后会将Object Mark Word 复制自己的一份到自己的栈空间，然后在自己的栈空间开辟一个指针lockerecord 指向Object Mark Word，同时Object Mark Word也会指向lockerecord，当线程1执行完代码块释放轻量级锁之后，发现Object Mark Word不在指向自己，说明当前锁已经改为重量级锁，那么它会唤醒阻塞队列中所有线程重新竞争锁。

总结：偏向锁，轻量级锁都是基于Object Mark Word的标记实现，java尽可能避免使用重量级锁。