JVM锁优化

JVM的锁优化

锁优化技术（HotSpot虚拟机而言）包括适应性自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁和偏向锁等。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，从而提升程序效率。

自旋锁

什么是自旋锁？

若是线程获取不到锁，第一时间不是去切换系统态进行等待，而是作一个循环操做，去等到锁的释放，循环到必定的次数终止循环，调入系统调用。为了让线程等待，而不是阻塞，让线程执行一个忙循环（自旋），这就是自旋锁。

为何消耗CPU而不是等待？

自旋锁的优化主要是为了减小了线程切换带来的消耗。

自旋锁适应的场景

自旋锁适合那些线程占用锁时间短的场景。

什么是自适应自旋锁？

JDK1.6加入了自适应自旋锁。顾名思义，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，那么虚拟机就会认为此次自旋也颇有可能再次成功，并将自旋等待时间延长。若是对于某个锁，自旋不多成功，那么在以后获取该锁时可能会放弃不自旋直接挂起线程。

锁消除

什么是锁消除？

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时，把锁进行消除。

怎样判断哪些代码能够进行锁消除？

锁消除的主要判断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，同步加锁就无需进行。

锁粗化

什么是锁粗化？

若是一系列的连续动做都对同一对象反复加锁和解锁，甚至加锁操做时出如今循环体中的，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，好比连续的append()方法。

轻量级锁和偏向锁

在说轻量级锁和偏向锁以前，咱们要先了解一下HotSpot虚拟机中对象的对象头。

HotSpot虚拟机的对象头分为两部分信息：

• 第一部分用域存储对象自身的运行时数据（Mark Word），如哈希码、GC分代年龄等，他是实现轻量级锁和偏向锁的关键。
• 另外一部分用于存储只想方法区对象类型的指针，若是是数组对象，还有一个额外部分存储数组长度。

因此，咱们来看一下对象头的Mark Word中的存储内容有哪些？

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

什么是CAS操做？

CAS是英文单词CompareAndSwap的缩写，中文意思是：比较并替换。简单来讲，CAS整个比较并替换的操做是一个原子操做。

轻量级锁

什么是轻量级锁？

他的意思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消耗

轻量级锁的执行过程？

加锁过程：

• 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帧栈中创建一个名为“锁空间”(Lock Record)的空间，用于存储锁对象目前Mark Word的拷贝（这份拷贝叫Displaced Mark Word）
• 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
  • 若是成功，这个线程就有了该对象的轻量级锁，Mark Word的锁标志位变为“00”
  • 若是失败，虚拟机先检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧
    • 若是指向当前线程帧栈就说明该线程获取到了该锁，可进入同步块继续执行
    • 若没指向当前线程的帧栈，表示这个锁对象被其余线程占用，这时轻量级锁再也不有效，要膨胀为重量级锁，锁的标志位变为“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

解锁过程：

• 若是对象的Mark Word仍然指向线程的锁记录，就用CAS操做把对象当前Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来
  • 替换成功，同步完成
  • 替换失败，有其余线程尝试获取该锁，释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

轻量级锁的使用场景

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”。

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

什么是偏向锁？

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。简单来讲就是**在无竞争的状况下把整个同步都消除掉，连CAS操做都不作。**就是说当一个线程率先获取到这个锁后，若是该锁没有被其余线程获取，那么持有偏向锁的线程将永远不须要同步。

工做过程

• 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"，使用CAS操做把获取到的锁的线程ID记录到Mark Word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，都再也不进行任何操做
• 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处于被锁定的状态，撤销偏向后恢复到未锁定或轻量级锁定的状态，后续的同步操做就如上面介绍的轻量级锁那样执行

偏向锁的使用场景

能够提升带有同步但无竞争的程序性能

和轻量级锁同样，若是这个同步块可能不少时候都是多个线程同时访问的话，那么偏向锁甚至会增长时耗

总结

JVM对锁进行了优化，包括自旋锁（自适应自旋锁）、锁粗化、轻量级锁、偏向锁。然后二者会由于竞争的多少而产生性能的变化。