JVM锁优化

Posted 2021-03-04 yangyongjie

锁优化

 

　　自旋锁和自适应锁：

　　互斥同步对性能最大的影响是阻塞的实现，挂起线程和恢复线程的操作都需要从用户态转到核心态中去完成。这些操作给操作系统的并发性能带来了很大的压力。同时，在

很多应用上，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。如果物理机器上有一个以上的处理器，能让两个或以上的线程同时并行

执行，我们就可以让后面请求锁的那个线程”稍等一下“，但不放弃处理器的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁，为了让线程等待，我们只需要让线程执行一个

忙循环，即自旋，这项技术就是所谓的自旋锁。

　　自旋锁在1.6之后默认开启，自旋等待不能代替阻塞，虽然避免了线程切换的开销（挂起唤醒，用户态转核心态），但是还是会占用处理器的时间，因此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，如果锁占用的时间很长，那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源，带来性能浪费。因此自旋等待的时间要有一定的限度，如果自旋超

过了限定的次数仍然没有成功获得锁，那就应当用传统的方式去挂起线程了。自旋的次数默认是10次。

　　1.6引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的时间不再固定了，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。

 

　　锁消除：

　　锁消除是指在虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要判定依据来源于逃逸分析的数据支

持，如果判断在一段代码中，堆上的所有数据都不会逃逸出去被其他线程访问到，那就可以把它们当作栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁就无需进行。

　　锁粗化：

　　原则上，我们在编写代码的时候，总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小——只在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变

小（减少锁时间），如果存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快拿到锁。但是如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，那即

使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能消耗。如StringBuffer类的append()方法就是这种情况，每个append()方法都对同一个对象加锁，且append()

可能连续出现多次。

 @Override
    public synchronized StringBuffer append(String str) {
        toStringCache = null;
        super.append(str);
        return this;
    }

如果虚拟机探测到有这样一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把锁同步的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部，如多个append()的话就会扩展到第一个append()操作

之前直至最后一个append()操作之后，这样只需要加锁一次就可以了。

 

　　

　　轻量级锁：

　　1.6引入的新型锁机制，轻量级是相对使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的，传统的锁机制就称为重量级锁。轻量级锁并不能替代重量级锁，它的本意是在没有多线

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。

　　要理解轻量级锁以及偏向锁的原理和运作过程，必须了解JVM的对象（对象头部分）的内部布局。HotSpot JVM的对象头（Object Header）分为两部分信息，第一部分用

来存储对象自身的运行时数据，如哈希码（hashCode）、GC分代年龄、锁标志位等。官方称为Mark Word，它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。另外一部分用于存储指向方法

区对象类型的指针，如果是数组的话，还会有一个额外的部分用于存储数组的长度。

　　Mark Word对象头在不同状态下的标识位存储内容如下：

 

存储内容	状态	标志位
对象哈希码、分代年龄	未锁定	01
指定锁记录的指针	轻量级锁定	00
指向重量级锁的指针	膨胀（重量级锁定）	10
空，不需要记录记录信息	GC标记	11
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄	可偏向	01

 

　　轻量级锁的执行过程：在代码进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定（锁标识位为01的时候），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拷贝，加了一个前缀Displaced，即Displaced Mark Word。然后虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record

的指针。如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标识位修改为00，即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

，虚拟机首先会检查对象的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，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明这个锁对象已经被

其他线程抢占了。如果有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为10，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）

的指针，后面等待的线程也要进入阻塞状态。

　　可以看到轻量级锁的加锁过程是通过CAS来实现的，同样，解锁过程也是通过CAS操作来进行的，如果对象的Mark Word仍然指向着线程的锁记录，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，如果替换成功，整个同步过程就完成了。如果替换失败，说明有其他线程尝试获取该锁，那就要在释放锁的同时，唤

醒被挂起的线程。

　　轻量级锁能提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”，这是一个经验数据。如果没有竞争，轻量级锁使用CAS操作避免了使用互斥

量的开销，如果存在锁竞争，那么除了互斥量的开销外，还额外发生了CAS操作，因此在有竞争的情况下，轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。

 

　　

　　偏向锁：

　　1.6引入的一项锁优化，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情况下把整个同步都消除掉，并且连CAS操作都不做了。

　　偏向锁的“偏”，就是偏心的“偏”，它的意思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。

　　如果虚拟机开启了偏向锁，1.6默认开启，那么当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机会把对象头中的标志为设为01，即偏向模式。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。当有另外一个线程

去尝试获取这个锁时，偏向模式宣告结束。根据锁对象目前是否出于被锁定的状态，撤销偏向（Revoke Bias）后恢复到未锁定（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轻量级锁的过程来执行。

　　偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能。但是它并不一定总是对程序有利，如果程序中大多数的锁总是被多个不同的线程访问，那么偏向模式就是多余的。

 

 

 

END