19 Java内存模型与线程_JVM层面的锁优化
1 锁优化历史
- synchronized 从 JDK1.0到JDK1.5 ，效率低
- JDK1.5到JDK1.6，JVM团队对synchronized进行深度优化，加入了：适应性自旋、锁消除、锁膨胀、轻量级锁、偏向锁 等优化技术
- JDK1.5 开始，加入java.util.concurrent，提供API层面的轻量级锁应用
为什么优化synchronized？
互斥同步对性能最大的影响是阻塞的实现，挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给Java虚拟机的并发性能带来了很大的压力。
2 自旋锁与自适应自旋
2.1 关于自旋锁
自旋锁历史进程：首次出现在JDK1.4.2，但默认关闭(使用-XX：+UseSpinning参数开启)，在JDK6开始默认开启。
自旋锁实现逻辑：如果锁被其它线程占有，那么本线程不放弃处理器的执行时间，并执行一个忙循环（自旋），直至得到锁。
自旋锁弊端：如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源，带来性能的浪费
自旋锁优化：
- 引入自旋次数：如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁，就应当使用传统的方式去挂起线程。自旋次数的默认值是10次，可以启用参数-XX：PreBlockSpin来更改。（次数在JDK1.4.2已经实现）
- 引入了自适应自旋
2.1 自旋锁优化：自适应自旋
原来：所有线程的自旋时间统一的（PreBlockSpin配置值 * 单次自旋时间）
自适应自旋：自旋的时间不固定，JVM根据前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。
自适应自旋情形：
例如1：线程A、B，锁L。A先通过自旋获取锁，那么JVM认为B也能通过自旋获取到锁，随即给B分配自旋时间，并且这个时间也是综合之前的自旋时间
例如2：锁L，线程A B C 通过自旋，都没有获取到锁，那么JVM会对后续的线程省略自旋过程，以免浪费处理器资源
3 锁消除
定义：指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码要求同步，但是对被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。
判断依据：源于逃逸分析的数据支持，如果判断到一段代码中，在堆上的所有数据都不会逃逸出去被其他线程访问到，那就可以把它们当作栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须再进行。
举例：
一段看起来没有同步的代码：
public String concatString(String s1, String s2, String s3)
{
return s1 + s2 + s3;
}
javac编译后，会变为以下同等代码：
public String concatString(String s1, String s2, String s3) {
StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append(s1);
sb.append(s2);
sb.append(s3);
return sb.toString();
}
//append()方法有synchronize修饰
分析：
jvm观察变量sb，经过逃逸分析后会发现它的动态作用域被限制在concatString()方法内部。可以采用无锁操作。
在解释执行时这里仍然会加锁，但在即时编译之后，这段代码就会忽略所有的同步措施而直接执行。
锁消除总结：
JVM会进行逃逸分析，符合条件的，在编译为机器码时，会消除所有同步措施
4 锁粗化
定义：假如一串零碎的操作都对同一个对象加锁，JVM会把加锁同步的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部
举例：
例如上面concatString()方法，将锁扩展到第一个append()操作之前最后一个append()操作之后，这样只需加锁一次
5 轻量级锁
逻辑：无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量
轻量级锁提升性能的依据：“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”这一经验法则
过程分析：
6 偏向锁
逻辑：在无竞争的情况下把整个同步都消除掉，连CAS操作都不去做
“偏”的理解：锁会偏向于第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁一直没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。
过程分析：后续补充
7 锁的优缺点对比
| 锁 | 优点 | 缺点 | 使用场景 |
|---|---|---|---|
| 偏向锁 | 加锁和解锁不需要CAS操作，没有额外的性能消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距 | 如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗 | 适用于只有一个线程访问同步块的场景 |
| 轻量级锁 | 竞争的线程不会阻塞，提高了响应速度 | 如线程成始终得不到锁竞争的线程，使用自旋会消耗CPU性能 | 追求响应时间，同步块执行速度非常快 |
| 重量级锁 | 线程竞争不适用自旋，不会消耗CPU | 线程阻塞，响应时间缓慢，在多线程下，频繁的获取释放锁，会带来巨大的性能消耗 | 追求吞吐量，同步块执行速度较长 |
