JVM中锁优化简介

本文将简单介绍HotSpot虚拟机中用到的锁优化技术。

自旋锁

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。而在不少应用上，共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间。若实体机上有多个处理器，能让两个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原地自旋（不放弃CPU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，咱们只须让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是自旋锁。

若是锁长时间被占用，则浪费处理器资源，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（默认10次）。

JDK1.6引入自适应的自旋锁：自旋时间再也不固定，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。

锁削除

锁削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削除（主要断定依据来源于逃逸分析的数据支持，若是判断到一段代码中，在堆上的全部数据都不会逃逸出去被其余线程访问到，那就能够把它们看成栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁天然就无须进行）。

锁膨胀

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。 若是虚拟机探测到有这样一串零碎的操做都对同一个对象加锁，将会把加锁同步的范围扩展（膨胀）到整个操做序列的外部（由屡次加锁编程只加锁一次）。

轻量级锁

轻量级锁并非用来代替重量级锁（传统锁机制，如互斥等）的，目的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。

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32个和64个Bits，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。

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。例如在32位的HotSpot虚拟机中对象未被锁定的状态下，Mark Word的32个Bits空间中的25Bits用于存储对象哈希码（HashCode），4Bits用于存储对象分代年龄，2Bits用于存储锁标志位，1Bit固定为0，在其余状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）下Mark Word的存储内容以下表所示。

存储内容	标志位	状态
对象Hash值、对象分代年龄	01	未锁定
指向锁记录的指针	00	轻量级锁定
指向重量级锁的指针	10	膨胀（重量级锁定）
空，不记录信息	11	GC标记
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄	01	可偏向

加锁过程

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），这时候线程堆栈与对象头的状态以下图所示。

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，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的最后两个Bits）将转变为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态，这时候线程堆栈与对象头的状态以下图所示。

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，若是是就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

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。

轻量级锁小结

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

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。

偏向锁会偏向于第一个得到它的线程（Mark Word中的偏向线程ID信息），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。

假设当前虚拟机启用了偏向锁（启用参数-XX:+UseBiasedLocking，JDK 1.6的默认值），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、轻量级锁的状态转化及对象Mark Word的关系以下图所示。

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都老是被多个不一样的线程访问，那偏向模式就是多余的。

主要参考

1. 《深刻理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》
2. The Hotspot Java Virtual Machine
3. Eliminating Synchronization-Related Atomic Operations with Biased Locking and Bulk Rebiasing