Java的锁优化

高效并发是从JDK 1.5到JDK 1.6的一个重要改进，HotSpot虚拟机开发团队在这个版本上花费了大量的精力去实现各类锁优化技术，如适应性自旋（Adaptive Spinning）、锁消除（Lock Elimination）、锁粗化（Lock Coarsening）、轻量级锁（Lightweight Locking）和偏向锁（Biased Locking）等，这些技术都是为了在线程之间更高效地共享数据，以及解决竞争问题，从而提升程序的执行效率。

自旋锁与自适应自旋

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做都须要转入内核态中完成，这些操做给系统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。若是物理机器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，咱们就可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，咱们只需让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁。

自旋锁在JDK 1.4.2中就已经引入，只不过默认是关闭的，可使用-XX：+UseSpinning参数来开启，在JDK 1.6中就已经改成默认开启了。自旋等待不能代替阻塞，且先不说对处理器数量的要求，自旋等待自己虽然避免了线程切换的开销，但它是要占用处理器时间的，所以，若是锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就会很是好，反之，若是锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源，而不会作任何有用的工做，反而会带来性能上的浪费。所以，自旋等待的时间必需要有必定的限度，若是自旋超过了限定的次数仍然没有成功得到锁，就应当使用传统的方式去挂起线程了。自旋次数的默认值是10次，用户可使用参数-XX：PreBlockSpin来更改。

在JDK 1.6中引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的时间再也不固定了，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。若是在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功得到过锁，而且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为此次自旋也颇有可能再次成功，进而它将容许自旋等待持续相对更长的时间，好比100个循环。另外，若是对于某个锁，自旋不多成功得到过，那在之后要获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，以免浪费处理器资源。有了自适应自旋，随着程序运行和性能监控信息的不断完善，虚拟机对程序锁的情况预测就会愈来愈准确，虚拟机就会变得愈来愈“聪明”了。

锁消除

锁消除是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，可是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要断定依据来源于逃逸分析的数据支持，若是判断在一段代码中，堆上的全部数据都不会逃逸出去从而被其余线程访问到，那就能够把它们当作栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁天然就无须进行。

变量是否逃逸，对于虚拟机来讲须要使用数据流分析来肯定，可是程序员本身应该是很清楚的，怎么会在明知道不存在数据争用的状况下要求同步呢？答案是有许多同步措施并非程序员本身加入的，同步的代码在Java程序中的广泛程度也许超过了想象。因为String是一个不可变的类，对字符串的链接操做老是经过生成新的String对象来进行的，所以Javac编译器会对String链接作自动优化。在JDK 1.5以前，会转化为StringBuffer对象的连续append（）操做，在JDK 1.5及之后的版本中，会转化为StringBuilder对象的连续append（）操做，客观地说，既然谈到锁消除与逃逸分析，那虚拟机就不多是JDK 1.5以前的版本，实际上会转化为非线程安全的StringBuilder来完成字符串拼接，并不会加锁。

每一个StringBuffer.append（）方法中都有一个同步块，锁就是sb对象。虚拟机观察变量sb，很快就会发现它的动态做用域被限制在concatString（）方法内部。也就是说，sb的全部引用永远不会“逃逸”到concatString（）方法以外，其余线程没法访问到它，所以，虽然这里有锁，可是能够被安全地消除掉，在即时编译以后，这段代码就会忽略掉全部的同步而直接执行了。

锁粗化

原则上，咱们在编写代码的时候，老是推荐将同步块的做用范围限制得尽可能小——只在共享数据的实际做用域中才进行同步，这样是为了使得须要同步的操做数量尽量变小，若是存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快拿到锁。大部分状况下，上面的原则都是正确的，可是若是一系列的连续操做都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操做是出如今循环体中的，那即便没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操做也会致使没必要要的性能损耗。

轻量级锁

轻量级锁是JDK 1.6之中加入的新型锁机制，它名字中的“轻量级”是相对于使用操做系统互斥量来实现的传统锁而言的，所以传统的锁机制就称为“重量级”锁。首先须要强调一点的是，轻量级锁并非用来代替重量级锁的，它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减小传统的重量级锁使用操做系统互斥量产生的性能消耗。

要理解轻量级锁，以及后面会讲到的偏向锁的原理和运做过程，必须从HotSpot虚拟机的对象（对象头部分）的内存布局开始介绍。HotSpot虚拟机的对象头（Object Header）分为两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄（Generational GC Age）等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32bit和64bit，官方称它为“Mark Word”，它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。另一部分用于存储指向方法区对象类型数据的指针，若是是数组对象的话，还会有一个额外的部分用于存储数组长度。对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽可能多的信息，它会根据对象的状态复用本身的存储空间。

加锁过程

简单地介绍了对象的内存布局后，咱们返回到轻量级锁的执行过程上。在代码进入同步块的时候，若是此同步对象没有被锁定（锁标志位为“01”状态），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中创建一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝（官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced Mark Word），而后，虚拟机将使用CAS操做尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。若是这个更新动做成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，而且对象Mark Word的锁标志位（Mark Word的最后2bit）将转变为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态。若是这个更新操做失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，若是是说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就能够直接进入同步块继续执行，不然说明这个锁对象已经被其余线程抢占了。若是有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就再也不有效，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，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。

解锁过程

它的解锁过程也是经过CAS操做来进行的，若是对象的Mark Word仍然指向着线程的锁记录，那就用CAS操做把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来，若是替换成功，整个同步过程就完成了。若是替换失败，说明有其余线程尝试过获取该锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

轻量级锁能提高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。若是没有竞争，轻量级锁使用CAS操做避免了使用互斥量的开销，但若是存在锁竞争，除了互斥量的开销外，还额外发生了CAS操做，所以在有竞争的状况下，轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。

偏向锁

偏向锁也是JDK 1.6中引入的一项锁优化，它的目的是消除数据在无竞争状况下的同步原语，进一步提升程序的运行性能。若是说轻量级锁是在无竞争的状况下使用CAS操做去消除同步使用的互斥量，那偏向锁就是在无竞争的状况下把整个同步都消除掉，连CAS操做都不作了。

偏向锁的“偏”，就是偏爱的“偏”、偏袒的“偏”，它的意思是这个锁会偏向于第一个得到它的线程，若是在接下来的执行过程当中，该锁没有被其余的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不须要再进行同步。

若是读懂了前面轻量级锁中关于对象头Mark Word与线程之间的操做过程，那偏向锁的原理理解起来就会很简单。假设当前虚拟机启用了偏向锁（启用参数-XX：+UseBiasedLocking，这是JDK 1.6的默认值），那么，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为“01”，即偏向模式。同时使用CAS操做把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中，若是CAS操做成功，持有偏向锁的线程之后每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机均可以再也不进行任何同步操做（例如Locking、Unlocking及对Mark Word的Update等）。

当有另一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式就宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，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，后续的同步操做就如上面介绍的轻量级锁那样执行。偏向锁能够提升带有同步但无竞争的程序性能。它一样是一个带有效益权衡（Trade Off）性质的优化，也就是说，它并不必定老是对程序运行有利，若是程序中大多数的锁老是被多个不一样的线程访问，那偏向模式就是多余的。在具体问题具体分析的前提下，有时候使用参数-XX：-UseBiasedLocking来禁止偏向锁优化反而能够提高性能。