本文將簡(jiǎn)單介紹HotSpot虛擬機(jī)中用到的鎖優(yōu)化技術(shù)。

自旋鎖

互斥同步對(duì)性能最大的影響是阻塞的實(shí)現(xiàn)，掛起線程和恢復(fù)線程的操作都需要轉(zhuǎn)入內(nèi)核態(tài)中完成，這些操作給系統(tǒng)的并發(fā)性能帶來了很大的壓力。而在很多應(yīng)用上，共享數(shù)據(jù)的鎖定狀態(tài)只會(huì)持續(xù)很短的一段時(shí)間。若實(shí)體機(jī)上有多個(gè)處理器，能讓兩個(gè)以上的線程同時(shí)并行執(zhí)行，我們就可以讓后面請(qǐng)求鎖的那個(gè)線程原地自旋（不放棄CPU時(shí)間），看看持有鎖的線程是否很快就會(huì)釋放鎖。為了讓線程等待，我們只須讓線程執(zhí)行一個(gè)忙循環(huán)（自旋），這項(xiàng)技術(shù)就是自旋鎖。

如果鎖長(zhǎng)時(shí)間被占用，則浪費(fèi)處理器資源，因此自旋等待的時(shí)間必須要有一定的限度，如果自旋超過了限定的次數(shù)仍然沒有成功獲得鎖，就應(yīng)當(dāng)使用傳統(tǒng)的方式去掛起線程了（默認(rèn)10次）。

JDK1.6引入自適應(yīng)的自旋鎖：自旋時(shí)間不再固定，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)來決定。如果在同一個(gè)鎖對(duì)象上，自旋等待剛剛成功獲得過鎖，并且持有鎖的線程正在運(yùn)行中，那么虛擬機(jī)就會(huì)認(rèn)為這次自旋也很有可能再次成功，進(jìn)而它將允許自旋等待持續(xù)相對(duì)更長(zhǎng)的時(shí)間。

鎖削除

鎖削除是指虛擬機(jī)即時(shí)編譯器在運(yùn)行時(shí)，對(duì)一些代碼上要求同步，但是被檢測(cè)到不可能存在共享數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的鎖進(jìn)行削除（主要判定依據(jù)來源于逃逸分析的數(shù)據(jù)支持，如果判斷到一段代碼中，在堆上的所有數(shù)據(jù)都不會(huì)逃逸出去被其他線程訪問到，那就可以把它們當(dāng)作棧上數(shù)據(jù)對(duì)待，認(rèn)為它們是線程私有的，同步加鎖自然就無須進(jìn)行）。

鎖膨脹

如果一系列的連續(xù)操作都對(duì)同一個(gè)對(duì)象反復(fù)加鎖和解鎖，甚至加鎖操作是出現(xiàn)在循環(huán)體中的，那即使沒有線程競(jìng)爭(zhēng)，頻繁地進(jìn)行互斥同步操作也會(huì)導(dǎo)致不必要的性能損耗。 如果虛擬機(jī)探測(cè)到有這樣一串零碎的操作都對(duì)同一個(gè)對(duì)象加鎖，將會(huì)把加鎖同步的范圍擴(kuò)展（膨脹）到整個(gè)操作序列的外部（由多次加鎖編程只加鎖一次）。

輕量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖并不是用來代替重量級(jí)鎖（傳統(tǒng)鎖機(jī)制，如互斥等）的，目的是在沒有多線程競(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。

HotSpot虛擬機(jī)的對(duì)象頭（Object Header）分為兩部分信息，第一部分用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡（Generational GC Age）等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度在32位和64位的虛擬機(jī)中分別為32個(gè)和64個(gè)Bits，官方稱它為“Mark Word”，它是實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)鎖和偏向鎖的關(guān)鍵。另外一部分用于存儲(chǔ)指向方法區(qū)對(duì)象類型數(shù)據(jù)的指針，如果是數(shù)組對(duì)象的話，還會(huì)有一個(gè)額外的部分用于存儲(chǔ)數(shù)組長(zhǎng)度。

Mark Word被設(shè)計(jì)成一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以便在極小的空間內(nèi)存儲(chǔ)盡量多的信息，它會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間。例如在32位的HotSpot虛擬機(jī)中對(duì)象未被鎖定的狀態(tài)下，Mark Word的32個(gè)Bits空間中的25Bits用于存儲(chǔ)對(duì)象哈希碼（HashCode），4Bits用于存儲(chǔ)對(duì)象分代年齡，2Bits用于存儲(chǔ)鎖標(biāo)志位，1Bit固定為0，在其他狀態(tài)（輕量級(jí)鎖定、重量級(jí)鎖定、GC標(biāo)記、可偏向）下Mark Word的存儲(chǔ)內(nèi)容如下表所示。

存儲(chǔ)內(nèi)容標(biāo)志位狀態(tài)

對(duì)象Hash值、對(duì)象分代年齡	01	未鎖定
指向鎖記錄的指針	00	輕量級(jí)鎖定
指向重量級(jí)鎖的指針	10	膨脹（重量級(jí)鎖定）
空，不記錄信息	11	GC標(biāo)記
偏向線程ID、偏向時(shí)間戳、對(duì)象分代年齡	01	可偏向

加鎖過程

在代碼進(jìn)入同步塊的時(shí)候，如果此同步對(duì)象沒有被鎖定（鎖標(biāo)志位為“01”狀態(tài)），虛擬機(jī)首先將在當(dāng)前線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），這時(shí)候線程堆棧與對(duì)象頭的狀態(tài)如下圖所示。

然后，虛擬機(jī)將使用CAS操作嘗試將對(duì)象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針。如果這個(gè)更新動(dòng)作成功，那么這個(gè)線程就擁有了該對(duì)象的鎖，并且對(duì)象Mark Word的鎖標(biāo)志位（Mark Word的最后兩個(gè)Bits）將轉(zhuǎn)變?yōu)椤?0”，即表示此對(duì)象處于輕量級(jí)鎖定狀態(tài)，這時(shí)候線程堆棧與對(duì)象頭的狀態(tài)如下圖所示。

如果這個(gè)更新操作失敗了，虛擬機(jī)首先會(huì)檢查對(duì)象的Mark Word是否指向當(dāng)前線程的棧幀，如果是就說明當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了這個(gè)對(duì)象的鎖，那就可以直接進(jìn)入同步塊繼續(xù)執(zhí)行，否則說明這個(gè)鎖對(duì)象已經(jīng)被其他線程搶占了。如果有兩條以上的線程爭(zhēng)用同一個(gè)鎖，那輕量級(jí)鎖就不再有效，要膨脹為重量級(jí)鎖，鎖標(biāo)志的狀態(tài)值變?yōu)椤?0”，Mark Word中存儲(chǔ)的就是指向重量級(jí)鎖（互斥量）的指針，后面等待鎖的線程也要進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

解鎖過程

解鎖過程也是通過CAS操作來進(jìn)行的，如果對(duì)象的Mark Word仍然指向著線程的鎖記錄，那就用CAS操作把對(duì)象當(dāng)前的Mark Word和線程中復(fù)制的Displaced Mark Word替換回來，如果替換成功，整個(gè)同步過程就完成了。如果替換失敗，說明有其他線程嘗試過獲取該鎖，那就要在釋放鎖的同時(shí)，喚醒被掛起的線程。

輕量級(jí)鎖小結(jié)

輕量級(jí)鎖能提升程序同步性能的依據(jù)是“對(duì)于絕大部分的鎖，在整個(gè)同步周期內(nèi)都是不存在競(jìng)爭(zhēng)的”，這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如果沒有競(jìng)爭(zhēng)，輕量級(jí)鎖使用CAS操作避免了使用互斥量的開銷，但如果存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，除了互斥量的開銷外，還額外發(fā)生了CAS操作，因此在有競(jìng)爭(zhēng)的情況下，輕量級(jí)鎖會(huì)比傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖更慢。

偏向鎖

目的是消除數(shù)據(jù)在無競(jìng)爭(zhēng)情況下的同步原語(yǔ)，進(jìn)一步提高程序的運(yùn)行性能。如果說輕量級(jí)鎖是在無競(jìng)爭(zhēng)的情況下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向鎖就是在無競(jìng)爭(zhēng)的情況下把整個(gè)同步都消除掉，連CAS操作都不做了。

偏向鎖會(huì)偏向于第一個(gè)獲得它的線程（Mark Word中的偏向線程ID信息），如果在接下來的執(zhí)行過程中，該鎖沒有被其他的線程獲取，則持有偏向鎖的線程將永遠(yuǎn)不需要再進(jìn)行同步。

假設(shè)當(dāng)前虛擬機(jī)啟用了偏向鎖（啟用參數(shù)-XX:+UseBiasedLocking，JDK 1.6的默認(rèn)值），當(dāng)鎖對(duì)象第一次被線程獲取的時(shí)候，虛擬機(jī)將會(huì)把對(duì)象頭中的標(biāo)志位設(shè)為“01”，即偏向模式。同時(shí)使用CAS操作把獲取到這個(gè)鎖的線程的ID記錄在對(duì)象的Mark Word之中，如果CAS操作成功，持有偏向鎖的線程以后每次進(jìn)入這個(gè)鎖相關(guān)的同步塊時(shí)，虛擬機(jī)都可以不再進(jìn)行任何同步操作（例如Locking、Unlocking及對(duì)Mark Word的Update等）。 　　 當(dāng)有另外一個(gè)線程去嘗試獲取這個(gè)鎖時(shí)，偏向模式就宣告結(jié)束。根據(jù)鎖對(duì)象目前是否處于被鎖定的狀態(tài)，撤銷偏向（Revoke Bias）后恢復(fù)到未鎖定（標(biāo)志位為“01”）或輕量級(jí)鎖定（標(biāo)志位為“00”）的狀態(tài)，后續(xù)的同步操作就如上面介紹的輕量級(jí)鎖那樣執(zhí)行。偏向鎖、輕量級(jí)鎖的狀態(tài)轉(zhuǎn)化及對(duì)象Mark Word的關(guān)系如下圖所示。

偏向鎖可以提高帶有同步但無競(jìng)爭(zhēng)的程序性能。它同樣是一個(gè)帶有效益權(quán)衡（Trade Off）性質(zhì)的優(yōu)化，也就是說它并不一定總是對(duì)程序運(yùn)行有利，如果程序中大多數(shù)的鎖都總是被多個(gè)不同的線程訪問，那偏向模式就是多余的。

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總結(jié)

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