前言

　　高效并發是從JDK1.5到JDK1.6的一個重要改進，HotSpot虛擬機開發團隊在這個版本上花費了大量的精力去實現各種鎖優化技術，如適應性自旋、鎖消除、鎖粗化、輕量級鎖和偏向鎖等，這些技術都是為了在線程之間高效的共享數據，以及解決競爭問題，從而提高程序的執行效率。

自旋鎖與自適應自旋

　　如果物理機器有一個以上的處理器，能讓兩個或者以上的線程同時并行執行，我們就讓后面請求鎖資源的那個線程“稍等一下”，但是不放棄處理器的執行時間，看看持有鎖的線程是否很快就會釋放鎖。為了讓線程等待，我們只需要讓線程執行一個忙循環（自旋），這項技術就是所謂的自旋鎖。

　　自旋鎖在JDK 1.4.2中就已經引入，只不過默認是關閉的，可以使用-XX:+UseSpinning參數來開啟，在JDK1.6中就已經默認開啟了。自旋等待不能代替阻塞，且先不說對處理器數量的要求，自旋等待本身雖然避免了線程切換的開銷，但它是要占用處理器執行時間的，因此，如果鎖被占用的時間很短，自旋等待的效果就會非常好，反之，如果鎖被占用的時間很長，那么自旋的線程只會白白的浪費處理器資源，而不會做任何有用的工作，反而會帶來性能上的浪費。因此，自旋等待的時間必須要有一定的限度，如果自旋超過了限定的次數仍然沒有成功的獲取到鎖資源，就應當使用傳統的方式去掛起線程了。自旋次數的默認值是10次，用戶可以使用參數-XX：PreBlockSpin 來更改。

　　在JDK1.6中引入了自適應的自旋鎖。自適應意味著自旋的時間不再固定了，而是由前一次在同一個鎖上的自旋時間以及鎖的擁有者的狀態來決定。如果在同一個鎖對象上，自旋等待剛剛成功獲得過鎖，并且持有鎖的線程正在運行中，那么虛擬機就會認為這次自旋也很有可能再次成功，進而允許自旋等待持續相對更長的時間，比如100個循環。另外，如果對于某個鎖，自旋很少成功獲得過，那在以后要獲取這個鎖時將可能省略掉自旋過程，以避免浪費處理器資源。有了自適應自旋，隨著程序運行和性能監控信息的不斷完善，虛擬機對程序鎖的狀況預測就會越來越準確，虛擬機會變得越來越聰明。

鎖消除

　　鎖消除是指虛擬機即時編譯器在運行時，對一些代碼上要求同步，但是被檢測到不可能存在共享數據競爭的鎖進行消除。鎖消除的主要判定依據來源于逃逸分析的數據支持，如果判斷一段代碼中，堆上的所有數據都不會逃逸出去從而被其他線程訪問到，那就可以把它們當做棧上數據對待，認為它們是線程私有的，同步加鎖自然就無須進行。

　　也許你會有疑問，變量是否逃逸，對于虛擬機來說需要使用數據流來分析確定，但是程序員自己應該很清楚的，怎么會在明知道不存在數據競爭的情況下要求同步呢？答案是有許多同步措施并不是程序員自己加入的，同步的代碼在Java程序中的普遍程度也許超過了大部分人的想象。來看下面的例子：

public String concatString(String s1,String s2,String s3){return s1+s2+s3;}

?　　上述代碼無論是源碼字面上還是程序語義上都沒有同步。

　　由于String是一個不可變的類，對字符串的連接操作總是通過通過生成新的String對象來進行的，因此Javac編譯器會對String連接做自動優化。在JDK1.5之前，會轉化為StringBuffer對象的連續append()操作，在JDK1.5及以后的版本中，會轉化為StringBuilder 對象的連續append()操作，即上述代碼可能會變成以下代碼：

public String concatString(String s1,String s2,String s3){StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();stringBuffer.append(s1);stringBuffer.append(s2);stringBuffer.append(s3);return stringBuffer.toString();}

?　　到這里，大家還認為這段代碼沒有涉及同步嗎？每個StringBuffer.append()方法中都有一個同步塊，鎖的是stringBuffer對象。虛擬機觀察變量stringBuffer，很快就會發現它的動態作用域被限制在concatString()方法內部。也就是說，該變量的所有引用永遠不會“逃逸”到concatString()方法外，其他線程無法訪問到它，因此，雖然這里有鎖，但是可以被安全的消除掉，在即時編譯之后，這段代碼就會忽略掉所有的同步而直接執行了。

鎖粗化

　　原則上，我們編寫代碼的時候，總是推薦將同步塊的作用范圍限制得盡量小——只在共享數據的實際作用域中才進行同步，這樣是為了使得需要同步的操作數量盡可能變小，如果存在鎖競爭，那等待鎖的線程也能盡快拿到鎖。

　　大部分情況下，縮小鎖的作用域是正確的，但是如果一系列的連續操作都是對同一個對象反復加鎖和解鎖，甚至加鎖操作是出現在循環體中的，那即使沒有線程競爭，頻繁的進行互斥同步操作也會導致不必要的性能損耗。如果虛擬機探測到有這樣一串零碎的操作都是對同一個對象加鎖，將會把加鎖同步的范圍擴展（粗化）到整個操作序列的外部。如下所示：

public String concatString(String s1,String s2,String s3){StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();for (int i = 0;i < 10;i++){synchronized (stringBuffer){stringBuffer.append(i);}}return stringBuffer.toString();}

?優化后：

public String concatString(String s1,String s2,String s3){StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();synchronized (stringBuffer){for (int i = 0;i < 10;i++){stringBuffer.append(i);}}return stringBuffer.toString();}

?輕量級鎖

　　輕量級鎖是JDK1.6之中加入的新型鎖機制，它名字中的“輕量級”是相對于使用操作系統互斥量來實現的傳統鎖而言的，因此傳統鎖機制就稱為“重量級”鎖。首先需要強調一點的是，輕量級鎖并不是用來代替重量級鎖的，它的本意是在沒有多線程競爭的前提下，減少傳統的重量級鎖使用操作系統互斥量產生的性能消耗。

　　要理解輕量級鎖，以及后面將要說到的偏向鎖的原理和運作過程，必須從HotSpot虛擬機的對象（對象頭部分）的內存布局開始介紹。HotSpot虛擬機的對象頭（Object Header）分為兩部分信息，一部分信息用于存儲對象自身的運行時數據，如哈希嗎（HashCode）、GC分代年齡（Generational GC Age）等，這部分數據的長度在32位和64位的虛擬機中分別為32bit和64bit，官方稱為“Mark Word”，它是實現輕量級鎖和偏向鎖的關鍵。另外一部分用于存儲指向方法區對象類型數據的指針，如果是數組對象的話，還會有一個額外的部分用于存儲數組長度。

　　對象頭信息是與對象自身定義的數據無關的額外存儲成本，考慮到虛擬機的空間效率，Mark Word被設計成一個非固定的數據結構以便在極小的空間內存儲盡量多的信息，它會根據對象的狀態復用自己的存儲空間。例如：在32位的HotSpot虛擬機中對象未被鎖定的狀態下，Mark Word 的32bit空間中的25bit用于存儲對象哈希碼，4bit用于存儲對象分代年齡，2bit用于存儲鎖標志位，1bit固定為0，在其他狀態（輕量級鎖定、重量級鎖定、GC標記、可偏向）下對象的存儲內容如下：

?

　　介紹了對象的內存布局后，我們回到輕量級鎖的執行過程上。在代碼進入同步塊的時候，如果此同步對象沒有被鎖定（鎖標志位為“01”狀態），虛擬機首先將在當前線程的棧幀中建立一個名為鎖記錄的空間，用于存儲鎖對象目前的Mark Word的拷貝（官方把這份拷貝加了一個Displaced前綴，即 Displaced Mark Word），這時候線程堆棧與對象頭的狀態如下圖所示：

　　然后，虛擬機將使用CAS操作嘗試將對象的Mark Word 更新為指向鎖記錄的指針。如果這個更新動作成功了，那么這個線程就擁有了該對象的鎖，并且對象Mark Word的鎖標志位（Mark Word的最后2bit）將轉變為“00”，即表示此對象處于輕量級鎖定狀態，這時候線程堆棧與對象頭的狀態如下圖所示：

　　如果這個更新操作失敗了，虛擬機首先會檢查對象的Mark Word是否指向當前線程的棧幀，如果指向則說明當前線程已經擁有了這個對象的鎖，那就可以直接進入同步塊繼續執行，否則說明這個鎖對象已經被其他線程搶占了。如果有兩條以上的線程爭用同一個鎖，那輕量級鎖就不再有效，要膨脹為重量級鎖，鎖標志的狀態值變為“10”，Mark Word 中存儲的就是指向重量級鎖（互斥量）的指針，后面等待鎖的線程也要進入阻塞狀態。

　　上面描述的是輕量級鎖的加鎖過程，它的解鎖過程也是通過CAS操作來進行的，如果對象的Mark Word仍然指向著線程的鎖記錄，那就用CAS操作把對象當前的Mark Word和線程中復制的Displaced Mark Word替換回來，如果替換成功，整個同步過程就完成了。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，喚醒被掛起的線程。

　　輕量級鎖能提升程序同步性能的依據是：對于絕大部分的鎖，在整個同步周期內都是不存在競爭的，這是一個經驗數據。如果沒有競爭，輕量級鎖使用CAS操作避免了使用互斥量的開銷，但如果存在鎖競爭，除了互斥量的開銷外，還額外發生了CAS操作，因此在有競爭的情況下，輕量級鎖會比傳統的重量級鎖更慢。

偏向鎖

　　偏向鎖也是JDK1.6中引入的一項鎖優化，它的目的是消除數據在無競爭情況下的同步原語，進一步提高程序的運行性能。如果說輕量級鎖是在無競爭的情況下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向鎖就是在無競爭的情況下把整個同步都消除掉，連CAS操作都不做了。

　　偏向鎖的偏，就是偏心的偏、偏袒的偏。它的意思是這個鎖會偏向于第一個獲得它的線程，如果在接下來的執行過程中，該鎖沒有被其他的線程獲取，則持有這個偏向鎖的線程將永遠不需要再進行同步。

　　假設當前虛擬機啟用了偏向鎖（啟用參數-XX：+UseBiasedLocking，這是JDK1.6的默認值），那么，當鎖對象第一次被線程獲取的時候，虛擬機將會把對象頭中的標志位設為“01”，即偏向模式。同時使用CAS操作把獲取到這個鎖的線程ID記錄在對象的Mark Word 中，如果CAS成功，持有偏向鎖的線程以后每次進入這個鎖相關的同步塊時，虛擬機都可以不再進行任何同步操作（例如 Locking、UnLocking及對Mark Word的Update等）。

　　當有另外一個線程去嘗試獲取這個鎖時，偏向模式就宣告結束。根據鎖對象目前是否處于被鎖定的狀態，撤銷偏向后恢復到未鎖定（標志位為“01”）或輕量級鎖定（標志位為“00”）的狀態，后續的同步操作就如前面介紹的輕量級鎖那樣執行。偏向鎖、輕量級鎖的狀態轉化及對象Mark Word的關系如圖：

?　　偏向鎖可以提高帶有同步但無競爭的程序性能。它同樣是一個帶有效益權衡性質的優化，也就是說，它并不一定總是對程序運行有利，如果程序中大多數的鎖總是被多個不同的線程訪問，那偏向模式就是多余的。在具體問題具體分析的前提下，有時候使用參數-XX：-UseBiasedLocking來禁止偏向鎖優化反而可以提升性能。

?參考：《深入理解Java虛擬機》 周志明 編著：

轉載于:https://www.cnblogs.com/Joe-Go/p/10033154.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的锁优化的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。