java中锁的优化 -- JVM对synchronized的优化

1）锁消除

概念：JVM在JIT编译(即时编译)时，经过对运行上下文的扫描，去除掉那些不可能发生共享资源竞争的锁，从而节省了线程请求这些锁的时间。

举例：
	StringBuffer的append方法是一个同步方法，若是StringBuffer类型的变量是一个局部变量，则该变量就不会被其它线程所使用，即对局部变量的操做是不会发生线程不安全的问题。
	在这种情景下，JVM会在JIT编译时自动将append方法上的锁去掉。

2）锁粗化

概念：将多个连续的加锁、解锁操做链接在一块儿，扩展成一个范围更大的锁，即将加锁的粒度放大。

举例：在for循环里的加锁/解锁操做，通常须要放到for循环外。

3）使用偏向锁和轻量级锁

说明：
	1)java6为了减小获取锁和释放锁带来的性能消耗，引入了偏向锁和轻量级锁。
	2)锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。
	3)锁的状态会随着竞争状况逐渐升级，而且只能够升级而不能降级。
	
【偏向锁】

	1)背景：大多数状况下，锁不只不存在多线程竞争，并且老是由同一线程屡次得到，为了让线程得到锁的代价更低而引入了偏向锁。
	
	2)概念：核心思想就是锁会偏向第一个获取它的线程，若是在接下来的执行过程当中没有其它的线程获取该锁，则持有偏向锁的线程永远不须要同步。
	
	3)目的：偏向锁其实是一种优化锁，其目的是为了减小数据在无竞争状况下的性能损耗。
	
	4)原理：
		1>当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID。
		2>之后该线程在进入和退出同步块时就不须要进行CAS操做来加锁和解锁，只需简单地判断一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。
	
	5)偏向锁的获取：
		1>访问Mark Word中偏向锁的标识位是否为1，若是是1，则肯定为偏向锁。
			说明：
				[1]若是偏向锁的标识位为0，说明此时是处于无锁状态，则当前线程经过CAS操做尝试获取偏向锁，若是获取锁成功，则将Mark Word中的偏向线程ID设置为当前线程ID；而且将偏向标识位设为1。
				[2]若是偏向锁的标识位不为1，也不为0(此时偏向锁的标识位没有值)，说明发生了竞争，偏向锁已经膨胀为轻量级锁，这时使用CAS操做尝试得到锁。
				
		2>若是是偏向锁，则判断Mark Word中的偏向线程ID是否指向当前线程，若是偏向线程ID指向当前线程，则代表当前线程已经获取到了锁；
		
		3>若是偏向线程ID并未指向当前线程，则经过CAS操做尝试获取偏向锁，若是获取锁成功，则将Mark Word中的偏向线程ID设置为当前线程ID；
		
		4>若是CAS获取偏向锁失败，则表示有竞争。当到达全局安全点时(在这个时间点上没有正在执行的字节码)，得到偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，而后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码。
	
    6)偏向锁的释放：  
        1>当其它的线程尝试获取偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放偏向锁。  
        2>释放偏向锁须要等待全局安全点(在这个时间点上没有正在执行的字节码)。 
		3>过程：
			首先暂停拥有偏向锁的线程，而后检查持有偏向锁的线程是否活着，若是线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态，
			若是线程还活着，说明此时发生了竞争，则偏向锁升级为轻量级锁，而后刚刚被暂停的线程会继续往下执行同步代码。
	
	7)优势：加锁和解锁不须要额外的消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距

	8)缺点：若是线程间存在锁竞争，锁撤销会带来额外的消耗。
	
	9)说明：
		1)偏向锁默认在应用程序启动几秒钟以后才激活。
		2)能够经过设置 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来关闭延迟。
		3)能够经过设置 -XX:-UseBiasedLocking=false 来关闭偏向锁，程序默认会进入轻量级锁状态。(若是应用程序里的锁大多状况下处于竞争状态，则应该将偏向锁关闭)
	

【轻量级锁】  
	1)原理：
		1>当使用轻量级锁(锁标识位为00)时，线程在执行同步块以前，JVM会先在当前线程的栈桢中建立用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中(注:锁记录中的标识字段称为Displaced Mark Word)。
		
		2>将对象头中的MarkWord复制到栈桢中的锁记录中以后，虚拟机将尝试使用CAS将对象头中Mark Word替换为指向该线程虚拟机栈中锁记录的指针，此时若是没有线程占有锁或者没有线程竞争锁，则当前线程成功获取到锁，而后执行同步块中的代码。
		
		3>若是在获取到锁的线程执行同步代码的过程当中，另外一个线程也完成了栈桢中锁记录的建立，而且已经将对象头中的MarkWord复制到了本身的锁记录中，而后尝试使用CAS将对象头中的MarkWord修改成指向本身的锁记录的指针，可是因为以前获取到锁的线程已经将对象头中的MarkWord修改过了(而且如今还在执行同步体中的代码,即仍然持有着锁)，因此此时对象头中的MarkWord与当前线程锁记录中MarkWord的值不一样，致使CAS操做失败，而后该线程就会不停地循环使用CAS操做试图将对象头中的MarkWord替换为本身锁记录中MarkWord的值，(当循环次数或循环时间达到上限时中止循环)若是在循环结束以前CAS操做成功，那么该线程就能够成功获取到锁，若是循环结束以后依然获取不到锁，则锁获取失败，对象头中的MarkWord会被修改成指向重量级锁的指针，而后这个获取锁失败的线程就会被挂起，阻塞了。
		
		4>当持有锁的那个线程执行完同步体以后，使用CAS操做将对象头中的MarkWord还原为最初的状态时(将对象头中指向锁记录的指针替换为Displaced Mark Word )，发现MarkWord已被修改成指向重量级锁的指针，所以CAS操做失败，该线程会释放锁并唤起阻塞等待的线程，开始新一轮夺锁之争，而此时，轻量级锁已经膨胀为重量级锁，全部竞争失败的线程都会阻塞，而不是自旋。

        自旋锁：  
            1)所谓自旋锁，就是让没有得到锁的进程本身运行一段时间自循环(默认开启)，可是不挂起线程。  
            2)自旋的代价就是该线程会一直占用处理器若是锁占用的时间很短，自旋等待的效果很好，反之，自旋锁会消耗大量处理器资源。  
            3)所以，自旋的等待时间必须有必定限度，超过限度尚未得到锁，就要挂起线程。  

    优势：在没有多线程竞争的前提下，减小传统的重量级锁带来的性能损耗。  
      
    缺点：竞争的线程若是始终得不到锁，自旋会消耗cpu。  

    应用：追求响应时间，同步块执行速度很是快。  
      
      
【重量级锁】  

	说明：
		1)java6以前的synchronized属于重量级锁，效率低下，由于monitor是依赖操做系统的Mutex Lock(互斥量)来实现的。
		2)多线程竞争锁时，会引发线程的上下文切换(即在cpu分配的时间片尚未用完的状况下进行了上下文切换)。
		3)操做系统实现线程的上下文切换须要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换须要相对较长的时间，时间成本相对较高。
		4)在互斥状态下，没有获得锁的线程会被挂起阻塞，而挂起线程和恢复线程的操做都须要从用户态转入内核态中完成。

	优势：线程竞争不使用自旋，不会消耗cpu。
	
	缺点：线程阻塞，响应时间缓慢。
	
	应用：追求吞吐量，同步块执行速度较长