Synchronized鎖優(yōu)化

文章內(nèi)容整理自 博學(xué)谷狂野架構(gòu)師

jdk1.6對(duì)鎖的實(shí)現(xiàn)引入了大量的優(yōu)化，如自旋鎖、適應(yīng)性自旋鎖、鎖消除、鎖粗化、偏向鎖、輕量級(jí)鎖等技術(shù)來(lái)減少鎖操作的開(kāi)銷(xiāo)。 鎖主要存在四中狀態(tài)，依次是：無(wú)鎖-> 偏向鎖 -> 輕量級(jí)鎖 -> 重量級(jí)鎖，他們會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)的激烈而逐漸升級(jí)。注意鎖可以升級(jí)不可降級(jí)，這種策略是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。

偏向鎖

偏向鎖是Java 6之后加入的新鎖，它是一種針對(duì)加鎖操作的優(yōu)化手段，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，鎖不僅不存在多線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)，而且總是由同一線(xiàn)程多次獲得，因此為了減少同一線(xiàn)程獲取鎖(會(huì)涉及到一些CAS操作,耗時(shí))的代價(jià)而引入偏向鎖。

偏向鎖的核心思想是，如果一個(gè)線(xiàn)程獲得了鎖，那么鎖就進(jìn)入偏向模式，此時(shí)Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)槠蜴i結(jié)構(gòu)，當(dāng)這個(gè)線(xiàn)程再次請(qǐng)求鎖時(shí)，無(wú)需再做任何同步操作，即獲取鎖的過(guò)程，這樣就省去了大量有關(guān)鎖申請(qǐng)的操作，從而也就提供程序的性能。

所以，對(duì)于沒(méi)有鎖競(jìng)爭(zhēng)的場(chǎng)合，偏向鎖有很好的優(yōu)化效果，畢竟極有可能連續(xù)多次是同一個(gè)線(xiàn)程申請(qǐng)相同的鎖。但是對(duì)于鎖競(jìng)爭(zhēng)比較激烈的場(chǎng)合，偏向鎖就失效了，

因?yàn)檫@樣場(chǎng)合極有可能每次申請(qǐng)鎖的線(xiàn)程都是不相同的，因此這種場(chǎng)合下不應(yīng)該使用偏向鎖，否則會(huì)得不償失，需要注意的是，偏向鎖失敗后，并不會(huì)立即膨脹為重量級(jí)鎖，而是先升級(jí)為輕量級(jí)鎖。下面我們接著了解輕量級(jí)鎖。

引入偏向鎖主要目的是：為了在無(wú)多線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)的情況下盡量減少不必要的輕量級(jí)鎖執(zhí)行路徑。上面提到了輕量級(jí)鎖的加鎖解鎖操作是需要依賴(lài)多次CAS原子指令的。

那么偏向鎖是如何來(lái)減少不必要的CAS操作呢？我們可以查看Mark work的結(jié)構(gòu)就明白了。只需要檢查是否為偏向鎖、鎖標(biāo)識(shí)為以及ThreadID即可

獲取鎖

• 檢測(cè)Mark Word是否為可偏向狀態(tài)，即是否為偏向鎖1，鎖標(biāo)識(shí)位為01；
• 若為可偏向狀態(tài)，則測(cè)試線(xiàn)程ID是否為當(dāng)前線(xiàn)程ID，如果是，則執(zhí)行步驟（5），否則執(zhí)行步驟（3）；
• 如果線(xiàn)程ID不為當(dāng)前線(xiàn)程ID，則通過(guò)CAS操作競(jìng)爭(zhēng)鎖，競(jìng)爭(zhēng)成功，則將Mark Word的線(xiàn)程ID替換為當(dāng)前線(xiàn)程ID，否則執(zhí)行線(xiàn)程（4）；
• 通過(guò)CAS競(jìng)爭(zhēng)鎖失敗，證明當(dāng)前存在多線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)情況，當(dāng)?shù)竭_(dá)全局安全點(diǎn)，獲得偏向鎖的線(xiàn)程被掛起，偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖，然后被阻塞在安全點(diǎn)的線(xiàn)程繼續(xù)往下執(zhí)行同步代碼塊；
• 執(zhí)行同步代碼塊

釋放鎖 偏向鎖的釋放采用了一種只有競(jìng)爭(zhēng)才會(huì)釋放鎖的機(jī)制，線(xiàn)程是不會(huì)主動(dòng)去釋放偏向鎖，需要等待其他線(xiàn)程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)。偏向鎖的撤銷(xiāo)需要等待全局安全點(diǎn)（這個(gè)時(shí)間點(diǎn)是上沒(méi)有正在執(zhí)行的代碼）。其步驟如下：

• 暫停擁有偏向鎖的線(xiàn)程，判斷鎖對(duì)象石是否還處于被鎖定狀態(tài)；
• 撤銷(xiāo)偏向蘇，恢復(fù)到無(wú)鎖狀態(tài)（01）或者輕量級(jí)鎖的狀態(tài)；

輕量級(jí)鎖

倘若偏向鎖失敗，虛擬機(jī)并不會(huì)立即升級(jí)為重量級(jí)鎖，它還會(huì)嘗試使用一種稱(chēng)為輕量級(jí)鎖的優(yōu)化手段(1.6之后加入的)，此時(shí)Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)檩p量級(jí)鎖的結(jié)構(gòu)。

輕量級(jí)鎖能夠提升程序性能的依據(jù)是“對(duì)絕大部分的鎖，在整個(gè)同步周期內(nèi)都不存在競(jìng)爭(zhēng)”，注意這是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。需要了解的是，輕量級(jí)鎖所適應(yīng)的場(chǎng)景是線(xiàn)程交替執(zhí)行同步塊的場(chǎng)合，如果存在同一時(shí)間訪(fǎng)問(wèn)同一鎖的場(chǎng)合，就會(huì)導(dǎo)致輕量級(jí)鎖膨脹為重量級(jí)鎖。

引入輕量級(jí)鎖的主要目的是在多沒(méi)有多線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能消耗。當(dāng)關(guān)閉偏向鎖功能或者多個(gè)線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖導(dǎo)致偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖，則會(huì)嘗試獲取輕量級(jí)鎖。

獲取鎖

• 判斷當(dāng)前對(duì)象是否處于無(wú)鎖狀態(tài)（hashcode、0、01），若是，則JVM首先將在當(dāng)前線(xiàn)程的棧幀中建立一個(gè)名為鎖記錄（Lock Record）的空間，用于存儲(chǔ)鎖對(duì)象目前的Mark Word的拷貝（官方把這份拷貝加了一個(gè)Displaced前綴，即Displaced Mark Word）；否則執(zhí)行步驟（3）；
• JVM利用CAS操作嘗試將對(duì)象的Mark Word更新為指向Lock Record的指正，如果成功表示競(jìng)爭(zhēng)到鎖，則將鎖標(biāo)志位變成00（表示此對(duì)象處于輕量級(jí)鎖狀態(tài)），執(zhí)行同步操作；如果失敗則執(zhí)行步驟（3）；
• 判斷當(dāng)前對(duì)象的Mark Word是否指向當(dāng)前線(xiàn)程的棧幀，如果是則表示當(dāng)前線(xiàn)程已經(jīng)持有當(dāng)前對(duì)象的鎖，則直接執(zhí)行同步代碼塊；否則只能說(shuō)明該鎖對(duì)象已經(jīng)被其他線(xiàn)程搶占了，這時(shí)輕量級(jí)鎖需要膨脹為重量級(jí)鎖，鎖標(biāo)志位變成10，后面等待的線(xiàn)程將會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)；

釋放鎖

輕量級(jí)鎖的釋放也是通過(guò)CAS操作來(lái)進(jìn)行的，主要步驟如下：

• 取出在獲取輕量級(jí)鎖保存在Displaced Mark Word中的數(shù)據(jù)；
• 用CAS操作將取出的數(shù)據(jù)替換當(dāng)前對(duì)象的Mark Word中，如果成功，則說(shuō)明釋放鎖成功，否則執(zhí)行（3）；
• 如果CAS操作替換失敗，說(shuō)明有其他線(xiàn)程嘗試獲取該鎖，則需要在釋放鎖的同時(shí)需要喚醒被掛起的線(xiàn)程。

對(duì)于輕量級(jí)鎖，其性能提升的依據(jù)是“對(duì)于絕大部分的鎖，在整個(gè)生命周期內(nèi)都是不會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)的”，如果打破這個(gè)依據(jù)則除了互斥的開(kāi)銷(xiāo)外，還有額外的CAS操作，因此在有多線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)的情況下，輕量級(jí)鎖比重量級(jí)鎖更慢；

自旋鎖

輕量級(jí)鎖失敗后，虛擬機(jī)為了避免線(xiàn)程 真實(shí)地在操作系統(tǒng)層面掛起，還會(huì)進(jìn)行一項(xiàng)稱(chēng)為自旋鎖的優(yōu)化手段。

這是基于在大多數(shù)情況下，線(xiàn)程持有鎖的時(shí)間都不會(huì)太長(zhǎng)，如果直接掛起操作系統(tǒng)層面的線(xiàn)程可能會(huì)得不償失，畢竟操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程之間的切換時(shí)需要從用戶(hù)態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對(duì)比較長(zhǎng)的時(shí)間，時(shí)間成本相對(duì)較高，因此自旋鎖會(huì)假設(shè)在不久將來(lái)，

當(dāng)前的線(xiàn)程可以獲得鎖，因此虛擬機(jī)會(huì)讓當(dāng)前想要獲取鎖的線(xiàn)程做幾個(gè)空循環(huán)(這也是稱(chēng)為自旋的原因)，一般不會(huì)太久，可能是50個(gè)循環(huán)或100循環(huán)，在經(jīng)過(guò)若干次循環(huán)后，如果得到鎖，就順利進(jìn)入臨界區(qū)。

如果還不能獲得鎖，那就會(huì)將線(xiàn)程在操作系統(tǒng)層面掛起，這就是自旋鎖的優(yōu)化方式，這種方式確實(shí)也是可以提升效率的。最后沒(méi)辦法也就只能升級(jí)為重量級(jí)鎖了。

線(xiàn)程的阻塞和喚醒需要CPU從用戶(hù)態(tài)轉(zhuǎn)為核心態(tài)，頻繁的阻塞和喚醒對(duì)CPU來(lái)說(shuō)是一件負(fù)擔(dān)很重的工作，勢(shì)必會(huì)給系統(tǒng)的并發(fā)性能帶來(lái)很大的壓力。

同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)在許多應(yīng)用上面，對(duì)象鎖的鎖狀態(tài)只會(huì)持續(xù)很短一段時(shí)間，為了這一段很短的時(shí)間頻繁地阻塞和喚醒線(xiàn)程是非常不值得的。所以引入自旋鎖。

何謂自旋鎖？ 所謂自旋鎖，就是讓該線(xiàn)程等待一段時(shí)間，不會(huì)被立即掛起，看持有鎖的線(xiàn)程是否會(huì)很快釋放鎖。怎么等待呢？執(zhí)行一段無(wú)意義的循環(huán)即可（自旋），和CAS類(lèi)似。

自旋等待不能替代阻塞，先不說(shuō)對(duì)處理器數(shù)量的要求（多核，貌似現(xiàn)在沒(méi)有單核的處理器了），雖然它可以避免線(xiàn)程切換帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)，但是它占用了處理器的時(shí)間。

如果持有鎖的線(xiàn)程很快就釋放了鎖，那么自旋的效率就非常好，反之，自旋的線(xiàn)程就會(huì)白白消耗掉處理的資源，它不會(huì)做任何有意義的工作，典型的占著茅坑不拉屎，這樣反而會(huì)帶來(lái)性能上的浪費(fèi)。

所以說(shuō)，自旋等待的時(shí)間（自旋的次數(shù)）必須要有一個(gè)限度，如果自旋超過(guò)了定義的時(shí)間仍然沒(méi)有獲取到鎖，則應(yīng)該被掛起。

自旋鎖在JDK 1.4.2中引入，默認(rèn)關(guān)閉，但是可以使用-XX:+UseSpinning開(kāi)開(kāi)啟，在JDK1.6中默認(rèn)開(kāi)啟。同時(shí)自旋的默認(rèn)次數(shù)為10次，可以通過(guò)參數(shù)-XX:PreBlockSpin來(lái)調(diào)整；

如果通過(guò)參數(shù)-XX:preBlockSpin來(lái)調(diào)整自旋鎖的自旋次數(shù)，會(huì)帶來(lái)諸多不便。假如我將參數(shù)調(diào)整為10，但是系統(tǒng)很多線(xiàn)程都是等你剛剛退出的時(shí)候就釋放了鎖（假如你多自旋一兩次就可以獲取鎖），你是不是很尷尬。

于是JDK1.6引入自適應(yīng)的自旋鎖，讓虛擬機(jī)會(huì)變得越來(lái)越聰明。

適應(yīng)自旋鎖

JDK 1.6引入了更加聰明的自旋鎖，即自適應(yīng)自旋鎖。所謂自適應(yīng)就意味著自旋的次數(shù)不再是固定的，它是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來(lái)決定。

它怎么做呢？線(xiàn)程如果自旋成功了，那么下次自旋的次數(shù)會(huì)更加多，因?yàn)樘摂M機(jī)認(rèn)為既然上次成功了，那么此次自旋也很有可能會(huì)再次成功，那么它就會(huì)允許自旋等待持續(xù)的次數(shù)更多。

反之，如果對(duì)于某個(gè)鎖，很少有自旋能夠成功的，那么在以后要或者這個(gè)鎖的時(shí)候自旋的次數(shù)會(huì)減少甚至省略掉自旋過(guò)程，以免浪費(fèi)處理器資源。

有了自適應(yīng)自旋鎖，隨著程序運(yùn)行和性能監(jiān)控信息的不斷完善，虛擬機(jī)對(duì)程序鎖的狀況預(yù)測(cè)會(huì)越來(lái)越準(zhǔn)確，虛擬機(jī)會(huì)變得越來(lái)越聰明。

鎖消除

消除鎖是虛擬機(jī)另外一種鎖的優(yōu)化，這種優(yōu)化更徹底，Java虛擬機(jī)在JIT編譯時(shí)(可以簡(jiǎn)單理解為當(dāng)某段代碼即將第一次被執(zhí)行時(shí)進(jìn)行編譯，又稱(chēng)即時(shí)編譯).

通過(guò)對(duì)運(yùn)行上下文的掃描，去除不可能存在共享資源競(jìng)爭(zhēng)的鎖，通過(guò)這種方式消除沒(méi)有必要的鎖，可以節(jié)省毫無(wú)意義的請(qǐng)求鎖時(shí)間，如下StringBuffer的append是一個(gè)同步方法，但是在add方法中的StringBuffer屬于一個(gè)局部變量，并且不會(huì)被其他線(xiàn)程所使用

因此StringBuffer不可能存在共享資源競(jìng)爭(zhēng)的情景，JVM會(huì)自動(dòng)將其鎖消除。

為了保證數(shù)據(jù)的完整性，我們?cè)谶M(jìn)行操作時(shí)需要對(duì)這部分操作進(jìn)行同步控制，但是在有些情況下，JVM檢測(cè)到不可能存在共享數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)，這是JVM會(huì)對(duì)這些同步鎖進(jìn)行鎖消除。

鎖消除的依據(jù)是逃逸分析的數(shù)據(jù)支持。 如果不存在競(jìng)爭(zhēng)，為什么還需要加鎖呢？所以鎖消除可以節(jié)省毫無(wú)意義的請(qǐng)求鎖的時(shí)間。

變量是否逃逸，對(duì)于虛擬機(jī)來(lái)說(shuō)需要使用數(shù)據(jù)流分析來(lái)確定，但是對(duì)于我們程序員來(lái)說(shuō)這還不清楚么？我們會(huì)在明明知道不存在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的代碼塊前加上同步嗎？

但是有時(shí)候程序并不是我們所想的那樣？我們雖然沒(méi)有顯示使用鎖，但是我們?cè)谑褂靡恍㎎DK的內(nèi)置API時(shí)，如StringBuffer、Vector、HashTable等，這個(gè)時(shí)候會(huì)存在隱形的加鎖操作。

比如StringBuffer的append()方法，Vector的add()方法：

COPYpublic void vectorTest(){
       Vector<String> vector = new Vector<String>();
       for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){
           vector.add(i + "");
       }
       System.out.println(vector);
   }

在運(yùn)行這段代碼時(shí)，JVM可以明顯檢測(cè)到變量vector沒(méi)有逃逸出方法vectorTest()之外，所以JVM可以大膽地將vector內(nèi)部的加鎖操作消除。

逃逸分析

如果證明一個(gè)對(duì)象不會(huì)逃逸方法外或者線(xiàn)程外，則可針對(duì)此變量進(jìn)行優(yōu)化：

同步消除synchronization Elimination，如果一個(gè)對(duì)象不會(huì)逃逸出線(xiàn)程，則對(duì)此變量的同步措施可消除。

重量級(jí)鎖

重量級(jí)鎖通過(guò)對(duì)象內(nèi)部的監(jiān)視器（monitor）實(shí)現(xiàn)，其中monitor的本質(zhì)是依賴(lài)于底層操作系統(tǒng)的Mutex Lock實(shí)現(xiàn)，操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程之間的切換需要從用戶(hù)態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，切換成本非常高。

為什么重量級(jí)鎖的開(kāi)銷(xiāo)比較大呢

原因是當(dāng)系統(tǒng)檢查到是重量級(jí)鎖之后，會(huì)把等待想要獲取鎖的線(xiàn)程阻塞，被阻塞的線(xiàn)程不會(huì)消耗CPU，但是阻塞或者喚醒一個(gè)線(xiàn)程，都需要通過(guò)操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是相當(dāng)于從用戶(hù)態(tài)轉(zhuǎn)化到內(nèi)核態(tài)，而轉(zhuǎn)化狀態(tài)是需要消耗時(shí)間的

三種鎖的區(qū)別

鎖升級(jí)

偏向鎖升級(jí)輕量級(jí)鎖：當(dāng)一個(gè)對(duì)象持有偏向鎖，一旦第二個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)對(duì)象，如果產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖。

輕量級(jí)鎖升級(jí)重量級(jí)鎖：一般兩個(gè)線(xiàn)程對(duì)于同一個(gè)鎖的操作都會(huì)錯(cuò)開(kāi)，或者說(shuō)稍微等待一下（自旋），另一個(gè)線(xiàn)程就會(huì)釋放鎖。但是當(dāng)自旋超過(guò)一定的次數(shù)，或者一個(gè)線(xiàn)程在持有鎖，一個(gè)在自旋，又有第三個(gè)來(lái)訪(fǎng)時(shí)，輕量級(jí)鎖膨脹為重量級(jí)鎖，重量級(jí)鎖使除了擁有鎖的線(xiàn)程以外的線(xiàn)程都阻塞，防止CPU空轉(zhuǎn)。

鎖粗化

我們知道在使用同步鎖的時(shí)候，需要讓同步塊的作用范圍盡可能小—僅在共享數(shù)據(jù)的實(shí)際作用域中才進(jìn)行同步，這樣做的目的是為了使需要同步的操作數(shù)量盡可能縮小，如果存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，那么等待鎖的線(xiàn)程也能盡快拿到鎖。 ? 在大多數(shù)的情況下，上述觀(guān)點(diǎn)是正確的，LZ也一直堅(jiān)持著這個(gè)觀(guān)點(diǎn)。

但是如果一系列的連續(xù)加鎖解鎖操作，可能會(huì)導(dǎo)致不必要的性能損耗，所以引入鎖粗話(huà)的概念。 鎖粗話(huà)概念比較好理解，就是將多個(gè)連續(xù)的加鎖、解鎖操作連接在一起，擴(kuò)展成一個(gè)范圍更大的鎖。

如下面的例子，一個(gè)方法由兩個(gè)加鎖,因?yàn)閚um = x + y;耗時(shí)較短，對(duì)比兩次鎖短的多，就會(huì)鎖粗化。

COPYprivate int x, y;
   /**
    * 因?yàn)橐粋€(gè)方法需要兩個(gè)加鎖解鎖耗費(fèi)資源
    * 對(duì)于  num = x + y; 耗費(fèi)時(shí)間很短 就會(huì)將
    * 代碼包裹進(jìn)去組成一個(gè)鎖
    * @return
    */
   public int lockCoarsening() {
       int num = 0;
       //對(duì)象鎖
       synchronized (this) {
           x++;
           //todo 處理部分業(yè)務(wù)
       }
       num = x + y;
       //對(duì)象鎖
       synchronized (this) {
           y++;
           //todo 處理部分業(yè)務(wù)
       }
       return num;
   }

粗化后

COPYprivate int x, y;
  /**
   * 使用一個(gè)鎖
   *
   * @return
   */
  public int lockCoarsening() {
      int num = 0;
      //只進(jìn)行一次加鎖解鎖
      synchronized (this) {
          x++;
          //todo 處理部分業(yè)務(wù)
          num = x + y;
          y++;
          //todo 處理部分業(yè)務(wù)
      }
      return num;
  }

wait和notify的原理

調(diào)用wait方法，首先會(huì)獲取監(jiān)視器鎖，獲得成功以后，會(huì)讓當(dāng)前線(xiàn)程進(jìn)入等待狀態(tài)進(jìn)入等待隊(duì)列并且釋放鎖。

當(dāng)其他線(xiàn)程調(diào)用notify后，會(huì)選擇從等待隊(duì)列中喚醒任意一個(gè)線(xiàn)程，而執(zhí)行完notify方法以后，并不會(huì)立馬喚醒線(xiàn)程，原因是當(dāng)前的線(xiàn)程仍然持有這把鎖，處于等待狀態(tài)的線(xiàn)程無(wú)法獲得鎖。必須要等到當(dāng)前的線(xiàn)程執(zhí)行完按monitorexit指令以后，也就是鎖被釋放以后，處于等待隊(duì)列中的線(xiàn)程就可以開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)鎖了。

wait和notify為什么需要在synchronized里面？

wait方法的語(yǔ)義有兩個(gè)，一個(gè)是釋放當(dāng)前的對(duì)象鎖、另一個(gè)是使得當(dāng)前線(xiàn)程進(jìn)入阻塞隊(duì)列，而這些操作都和監(jiān)視器是相關(guān)的，所以wait必須要獲得一個(gè)監(jiān)視器鎖。

而對(duì)于notify來(lái)說(shuō)也是一樣，它是喚醒一個(gè)線(xiàn)程，既然要去喚醒，首先得知道它在哪里，所以就必須要找到這個(gè)對(duì)象獲取到這個(gè)對(duì)象的鎖，然后到這個(gè)對(duì)象的等待隊(duì)列中去喚醒一個(gè)線(xiàn)程。

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