Java鎖性能提高機(jī)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(duì)象實(shí)例的Mark Word（說(shuō)白了就是對(duì)象內(nèi)存中的開(kāi)頭幾個(gè)字節(jié)保留的信息，如果把一個(gè)對(duì)象序列化后明顯可以看見(jiàn)開(kāi)頭的這些信息），為了在線程競(jìng)爭(zhēng)不激烈的情況下，減少加鎖及解鎖的性能損耗（輕量級(jí)鎖涉及多次CAS操作）在Mark Word中有保存這上次使用這個(gè)對(duì)象鎖的線程ID信息，如果這個(gè)線程再次請(qǐng)求這個(gè)對(duì)象鎖，那么只需要讀取該對(duì)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(jìn)行對(duì)比，如果是同一個(gè)id就直接認(rèn)為該id獲得鎖成功，而不需要在進(jìn)行真正的加解鎖操作。

其實(shí)說(shuō)白了就是你上次來(lái)過(guò)了，這次又來(lái)，并且在這兩次之間沒(méi)有其他人來(lái)過(guò)，對(duì)于這個(gè)線程來(lái)說(shuō)，鎖對(duì)象的資源隨便用都是安全的。這次用緩存來(lái)?yè)Q取性能的做法，不過(guò)偏向鎖在鎖競(jìng)爭(zhēng)不激烈的情景下使用才能獲取比較高的效率。當(dāng)使用CAS競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖失敗，表示競(jìng)爭(zhēng)比較激烈，偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖。

輕量級(jí)鎖

所謂輕量級(jí)鎖是比偏向鎖更耗資源的鎖,實(shí)現(xiàn)機(jī)制是,線程在競(jìng)爭(zhēng)輕量級(jí)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(jí)鎖對(duì)應(yīng)的對(duì)象的對(duì)象頭的字段的拷貝),拷貝好后,線程通過(guò)CAS去競(jìng)爭(zhēng)這個(gè)對(duì)象鎖，試圖把對(duì)象的對(duì)象頭子段改成指向所記錄空間，如果成功則說(shuō)明獲取輕量級(jí)鎖成功，如果失敗，則進(jìn)入自旋（說(shuō)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(jìn)入重量級(jí)鎖。

自旋鎖

說(shuō)白了就是獲取鎖失敗后，為了避免直接讓線程進(jìn)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(jìn)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(jìn)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?yàn)樵囼?yàn)證明，鎖的持有時(shí)間一般是非常短的，所以一般多次嘗試就能競(jìng)爭(zhēng)到鎖。

重量級(jí)鎖

所謂的重量級(jí)鎖，其實(shí)就是最原始和最開(kāi)始java實(shí)現(xiàn)的阻塞鎖。在JVM中又叫對(duì)象監(jiān)視器。

這時(shí)的鎖對(duì)象的對(duì)象頭字段指向的是一個(gè)互斥量，所有線程競(jìng)爭(zhēng)重量級(jí)鎖，競(jìng)爭(zhēng)失敗的線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)（操作系統(tǒng)層面），并且在鎖對(duì)象的一個(gè)等待池中等待被喚醒，被喚醒后的線程再次去競(jìng)爭(zhēng)鎖資源。

小結(jié)：

所謂的鎖升級(jí)，其實(shí)就是從偏向鎖à輕量級(jí)鎖(自旋鎖)à重量級(jí)鎖，之前一直被這幾個(gè)概念困擾，網(wǎng)上的 文章解釋的又不通俗易懂，其實(shí)說(shuō)白了，一切一切的開(kāi)始源于java對(duì)synchronized同步機(jī)制的性能優(yōu)化，最原始的synchronized同步機(jī)制是直接跳過(guò)前幾個(gè)步驟，直接進(jìn)入重量級(jí)鎖的，而重量級(jí)鎖因?yàn)樾枰€程進(jìn)入阻塞狀態(tài)（從用戶態(tài)進(jìn)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(jī)制就顯得很笨重，效率不高。

那么為了解決這個(gè)問(wèn)題，java才引入了偏向鎖，輕量級(jí)鎖，自旋鎖這幾個(gè)概念。

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

Java鎖升級(jí)簡(jiǎn)述

什么是鎖：在并發(fā)環(huán)境下，多線程針對(duì)同一個(gè)資源進(jìn)行爭(zhēng)搶，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，為了解決這個(gè)問(wèn)題，就引入了鎖機(jī)制。通過(guò)鎖對(duì)資源進(jìn)行鎖定。

在JVM當(dāng)中，寄存器、虛擬機(jī)棧、本地方法棧是線程獨(dú)享（安全）的。但是Java堆（保存所有的Java對(duì)象和數(shù)組）、方法區(qū)、運(yùn)行時(shí)常量池是線程共享的，就有可能出現(xiàn)線程安全問(wèn)題。每個(gè)object對(duì)象都有一把鎖，這個(gè)鎖在對(duì)象頭中，記錄著這個(gè)對(duì)象在被哪個(gè)線程占用著。

對(duì)象頭結(jié)構(gòu)

Java的對(duì)象分為三個(gè)部分：對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)、對(duì)齊填充字節(jié)。

對(duì)象頭存放了對(duì)象本身的運(yùn)行時(shí)信息。對(duì)象頭包含了兩部分：Mark Word和ClassPointer。相對(duì)于實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)象頭屬于一些額外的內(nèi)存開(kāi)銷。因此被設(shè)計(jì)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(duì)象內(nèi)存存在一把鎖，鎖信息放在了對(duì)象頭的Mark Word當(dāng)中。在最后兩位中，代表了鎖標(biāo)志位：無(wú)鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖。

synchronized關(guān)鍵字

synchronized關(guān)鍵字可以用來(lái)同步線程，synchronized被編譯后，會(huì)生成monitorenter，monitorexit兩個(gè)字節(jié)碼指令。JVM以此來(lái)進(jìn)行線程同步。

monitor

 monitor即為同步監(jiān)視器，一個(gè)線程進(jìn)入了monitor，其他線程只能夠等待，當(dāng)且只有這個(gè)線程退出，其他線程才有機(jī)會(huì)競(jìng)爭(zhēng)到所資源進(jìn)行執(zhí)行。

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

這就是synchronized的同步機(jī)制，但是synchronized可能存在性能問(wèn)題，因?yàn)閙onitor是依賴于操作系統(tǒng)的Mutex Lock來(lái)實(shí)現(xiàn)的，Java線程事實(shí)上是對(duì)操作系統(tǒng)線程的映射，所以每當(dāng)掛起或喚醒一個(gè)線程都要切換到操作系統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)，這個(gè)操作是比較重量級(jí)的。在一些情況下，甚至切換時(shí)間本身就會(huì)超出線程執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間，這樣的話，使用synchronized將會(huì)對(duì)程序的性能產(chǎn)生影響。

從Java6開(kāi)始，synchronized關(guān)鍵字就進(jìn)行了優(yōu)化，引入了“偏向鎖”，“輕量級(jí)鎖”，所以鎖共有四種狀態(tài)，分別為：無(wú)鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖。

鎖的四種狀態(tài)

無(wú)鎖

• 無(wú)鎖顧名思義就是沒(méi)有對(duì)資源進(jìn)行鎖定，所有線程都能夠訪問(wèn)同一資源。在出現(xiàn)資源競(jìng)爭(zhēng)的情況下，不想對(duì)資源進(jìn)行鎖定，但是還是想通過(guò)某種手段進(jìn)行多線程的控制。假如有一個(gè)累計(jì)值，我們不想通過(guò)鎖定資源的方式進(jìn)行限制，但是想控制只有一個(gè)線程能修改成功的話，就可以通過(guò)CAS操作（可以看AutomaticInteger中對(duì)unsafe類的操作）。但是當(dāng)出現(xiàn)循環(huán)的時(shí)候，某個(gè)時(shí)間的cpu占用率會(huì)變得很高，而且可能出現(xiàn)ABA問(wèn)題（通過(guò)版本號(hào)解決）。

偏向鎖

• 當(dāng)我們開(kāi)始為對(duì)象進(jìn)行加鎖，假如某對(duì)象被加鎖了，但在實(shí)際運(yùn)行的時(shí)候，只有一條線程會(huì)獲取這個(gè)對(duì)鎖，那么我們最理想的方式，是不要通過(guò)系統(tǒng)狀態(tài)切換，也不通過(guò)CAS獲取鎖，因?yàn)槟菢踊蚨嗷蛏龠€是消耗了一些資源。我們?cè)O(shè)想的是最好對(duì)象能夠認(rèn)識(shí)這個(gè)線程，只要是這個(gè)線程過(guò)來(lái)，那么對(duì)象就直接把鎖交出去。我們可以認(rèn)為這個(gè)對(duì)象偏愛(ài)這個(gè)線程，所以被稱為“偏向鎖”。
• 那么偏向鎖是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？在Mark Word中，當(dāng)鎖標(biāo)志為是01，那么判斷倒數(shù)第三個(gè)bit是否為1，如果是1，那么代表當(dāng)前對(duì)象的鎖狀態(tài)為偏向鎖，于是再去讀Mark Word的前23個(gè)bit，這23個(gè)bit就是線程ID，通過(guò)線程ID來(lái)確認(rèn)想要獲得對(duì)象鎖的線程是不是之前所記錄的線程ID。

輕量級(jí)鎖

• 假如情況發(fā)生了變化，對(duì)象發(fā)現(xiàn)目前不只有一個(gè)線程，而是有多個(gè)線程正在競(jìng)爭(zhēng)鎖，那么偏向鎖將會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖。Mark
• Word發(fā)生變化，指向棧中Lock Record的指針。

重量級(jí)鎖

• 倘若在輕量級(jí)鎖的情況下，線程自旋次數(shù)過(guò)多，這個(gè)時(shí)候就會(huì)從輕量級(jí)鎖轉(zhuǎn)換成為重量級(jí)鎖。Mark Word再次發(fā)生變化，指向重量級(jí)鎖的指針。這個(gè)時(shí)候，其他線程試圖獲取鎖時(shí)都會(huì)被阻塞，只有持有鎖的線程釋放鎖之后才會(huì)喚醒這些線程。 

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

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