Java鎖性能提高機制

鎖的使用很難避免，如何盡量提高鎖的性能就顯得比較重要了

鎖偏向

所謂的偏向鎖是指在對象實例的Mark Word（說白了就是對象內(nèi)存中的開頭幾個字節(jié)保留的信息，如果把一個對象序列化后明顯可以看見開頭的這些信息），為了在線程競爭不激烈的情況下，減少加鎖及解鎖的性能損耗（輕量級鎖涉及多次CAS操作）在Mark Word中有保存這上次使用這個對象鎖的線程ID信息，如果這個線程再次請求這個對象鎖，那么只需要讀取該對象上的Mark Word的偏向鎖信息（也就是線程id）跟線程本身的id進行對比，如果是同一個id就直接認為該id獲得鎖成功，而不需要在進行真正的加解鎖操作。

其實說白了就是你上次來過了，這次又來，并且在這兩次之間沒有其他人來過，對于這個線程來說，鎖對象的資源隨便用都是安全的。這次用緩存來換取性能的做法，不過偏向鎖在鎖競爭不激烈的情景下使用才能獲取比較高的效率。當使用CAS競爭偏向鎖失敗，表示競爭比較激烈，偏向鎖升級為輕量級鎖。

輕量級鎖

所謂輕量級鎖是比偏向鎖更耗資源的鎖,實現(xiàn)機制是,線程在競爭輕量級鎖前,在線程的棧內(nèi)存中分配一段空間作為鎖記錄空間(就是輕量級鎖對應(yīng)的對象的對象頭的字段的拷貝),拷貝好后,線程通過CAS去競爭這個對象鎖，試圖把對象的對象頭子段改成指向所記錄空間，如果成功則說明獲取輕量級鎖成功，如果失敗，則進入自旋（說白了就是循環(huán)）取試著獲取鎖。如果自旋到一定次數(shù)還是不能獲取到鎖，則進入重量級鎖。

自旋鎖

說白了就是獲取鎖失敗后，為了避免直接讓線程進入阻塞狀態(tài)而采取的循環(huán)一定次數(shù)去試著獲取鎖的行為。（線程進入阻塞狀態(tài)和退出阻塞狀態(tài)是涉及到操作系統(tǒng)管理層面的，需要從用戶態(tài)進入內(nèi)核態(tài)，非常消耗系統(tǒng)資源），為什么能這樣做呢，是因為試驗證明，鎖的持有時間一般是非常短的，所以一般多次嘗試就能競爭到鎖。

重量級鎖

所謂的重量級鎖，其實就是最原始和最開始java實現(xiàn)的阻塞鎖。在JVM中又叫對象監(jiān)視器。

這時的鎖對象的對象頭字段指向的是一個互斥量，所有線程競爭重量級鎖，競爭失敗的線程進入阻塞狀態(tài)（操作系統(tǒng)層面），并且在鎖對象的一個等待池中等待被喚醒，被喚醒后的線程再次去競爭鎖資源。

小結(jié)：

所謂的鎖升級，其實就是從偏向鎖à輕量級鎖(自旋鎖)à重量級鎖，之前一直被這幾個概念困擾，網(wǎng)上的 文章解釋的又不通俗易懂，其實說白了，一切一切的開始源于java對synchronized同步機制的性能優(yōu)化，最原始的synchronized同步機制是直接跳過前幾個步驟，直接進入重量級鎖的，而重量級鎖因為需要線程進入阻塞狀態(tài)（從用戶態(tài)進入內(nèi)核態(tài)）這種操作系統(tǒng)層面的操作非常消耗資源，這樣的話，synchronized同步機制就顯得很笨重，效率不高。

那么為了解決這個問題，java才引入了偏向鎖，輕量級鎖，自旋鎖這幾個概念。

拿這幾個鎖有何優(yōu)化呢？網(wǎng)上也沒有通俗易懂的解釋，其實說白了就是，偏向鎖是為了避免CAS操作，盡量在對比對象頭就把加鎖問題解決掉，只有沖突的情況下才指向一次CAS操作，而輕量級鎖和自旋鎖呢，其實兩個是一體使用的，為的是盡量避免線程進入內(nèi)核的阻塞狀態(tài)，這對性能非常不利，試圖用CAS操作和循環(huán)把加鎖問題解決掉，而重量級鎖是最終的無奈解決方案，說白了就是能通過內(nèi)存讀取判斷解決加速問題優(yōu)于〉通過CAS操作和空循環(huán)優(yōu)于〉CPU阻塞，喚醒線程。

Java鎖升級簡述

什么是鎖：在并發(fā)環(huán)境下，多線程針對同一個資源進行爭搶，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，為了解決這個問題，就引入了鎖機制。通過鎖對資源進行鎖定。

在JVM當中，寄存器、虛擬機棧、本地方法棧是線程獨享（安全）的。但是Java堆（保存所有的Java對象和數(shù)組）、方法區(qū)、運行時常量池是線程共享的，就有可能出現(xiàn)線程安全問題。每個object對象都有一把鎖，這個鎖在對象頭中，記錄著這個對象在被哪個線程占用著。

對象頭結(jié)構(gòu)

Java的對象分為三個部分：對象頭、實例數(shù)據(jù)、對齊填充字節(jié)。

對象頭存放了對象本身的運行時信息。對象頭包含了兩部分：Mark Word和ClassPointer。相對于實際數(shù)據(jù)，對象頭屬于一些額外的內(nèi)存開銷。因此被設(shè)計的極小以提升效率。其中，Mark Word中，就包含了鎖信息。

Mark Word（32位為例）

對象內(nèi)存存在一把鎖，鎖信息放在了對象頭的Mark Word當中。在最后兩位中，代表了鎖標志位：無鎖、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。

synchronized關(guān)鍵字

synchronized關(guān)鍵字可以用來同步線程，synchronized被編譯后，會生成monitorenter，monitorexit兩個字節(jié)碼指令。JVM以此來進行線程同步。

monitor

 monitor即為同步監(jiān)視器，一個線程進入了monitor，其他線程只能夠等待，當且只有這個線程退出，其他線程才有機會競爭到所資源進行執(zhí)行。

Entry Set中聚集了一些想要進入Monitor的線程，它們處于waiting狀態(tài)，假設(shè)某個名為A線程成功進入了Monitor，那么它就處于active狀態(tài)。假設(shè)此時A線程執(zhí)行途中，遇到一個判斷條件，需要它暫時讓出執(zhí)行權(quán)，那么它將進入wait set，狀態(tài)也被標記為waiting。這時entry set中的線程就有機會進入monitor，假設(shè)一個線程B成功進入并且順利完成，那么它可以通過notify的形式來喚醒wait set中的線程A，讓線程A再次進入Monitor，執(zhí)行完成后便退出。

這就是synchronized的同步機制，但是synchronized可能存在性能問題，因為monitor是依賴于操作系統(tǒng)的Mutex Lock來實現(xiàn)的，Java線程事實上是對操作系統(tǒng)線程的映射，所以每當掛起或喚醒一個線程都要切換到操作系統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)，這個操作是比較重量級的。在一些情況下，甚至切換時間本身就會超出線程執(zhí)行任務(wù)的時間，這樣的話，使用synchronized將會對程序的性能產(chǎn)生影響。

從Java6開始，synchronized關(guān)鍵字就進行了優(yōu)化，引入了“偏向鎖”，“輕量級鎖”，所以鎖共有四種狀態(tài)，分別為：無鎖、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。

鎖的四種狀態(tài)

無鎖

• 無鎖顧名思義就是沒有對資源進行鎖定，所有線程都能夠訪問同一資源。在出現(xiàn)資源競爭的情況下，不想對資源進行鎖定，但是還是想通過某種手段進行多線程的控制。假如有一個累計值，我們不想通過鎖定資源的方式進行限制，但是想控制只有一個線程能修改成功的話，就可以通過CAS操作（可以看AutomaticInteger中對unsafe類的操作）。但是當出現(xiàn)循環(huán)的時候，某個時間的cpu占用率會變得很高，而且可能出現(xiàn)ABA問題（通過版本號解決）。

偏向鎖

• 當我們開始為對象進行加鎖，假如某對象被加鎖了，但在實際運行的時候，只有一條線程會獲取這個對鎖，那么我們最理想的方式，是不要通過系統(tǒng)狀態(tài)切換，也不通過CAS獲取鎖，因為那樣或多或少還是消耗了一些資源。我們設(shè)想的是最好對象能夠認識這個線程，只要是這個線程過來，那么對象就直接把鎖交出去。我們可以認為這個對象偏愛這個線程，所以被稱為“偏向鎖”。
• 那么偏向鎖是怎么實現(xiàn)的呢？在Mark Word中，當鎖標志為是01，那么判斷倒數(shù)第三個bit是否為1，如果是1，那么代表當前對象的鎖狀態(tài)為偏向鎖，于是再去讀Mark Word的前23個bit，這23個bit就是線程ID，通過線程ID來確認想要獲得對象鎖的線程是不是之前所記錄的線程ID。

輕量級鎖

• 假如情況發(fā)生了變化，對象發(fā)現(xiàn)目前不只有一個線程，而是有多個線程正在競爭鎖，那么偏向鎖將會升級為輕量級鎖。Mark
• Word發(fā)生變化，指向棧中Lock Record的指針。

重量級鎖

• 倘若在輕量級鎖的情況下，線程自旋次數(shù)過多，這個時候就會從輕量級鎖轉(zhuǎn)換成為重量級鎖。Mark Word再次發(fā)生變化，指向重量級鎖的指針。這個時候，其他線程試圖獲取鎖時都會被阻塞，只有持有鎖的線程釋放鎖之后才會喚醒這些線程。 

以上為個人經(jīng)驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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