Java并发编程的艺术(十三)——锁优化

自旋锁

• 背景：互斥同步对性能最大的影响是阻塞，挂起和恢复线程都需要转入内核态中完成；并且通常情况下，共享数据的锁定状态只持续很短的一段时间，为了这很短的一段时间进行上下文切换并不值得。
• 原理：当一条线程需要请求一把已经被占用的锁时，并不会进入阻塞状态，而是继续持有CPU执行权等待一段时间，该过程称为『自旋』。
• 优点：由于自旋等待锁的过程线程并不会引起上下文切换，因此比较高效；
• 缺点：自旋等待过程线程一直占用CPU执行权但不处理任何任务，因此若该过程过长，那就会造成CPU资源的浪费。
• 自适应自旋：自适应自旋可以根据以往自旋等待时间的经验，计算出一个较为合理的本次自旋等待时间。

锁清除

编译器会清除一些使用了同步，但同步块中没有涉及共享数据的锁，从而减少多余的同步。

锁粗化

若有一系列操作，反复地对同一把锁进行上锁和解锁操作，编译器会扩大这部分代码的同步块的边界，从而只使用一次上锁和解锁操作。

轻量级锁

• 本质：使用CAS取代互斥同步。
• 背景：『轻量级锁』是相对于『重量级锁』而言的，而重量级锁就是传统的锁。
• 轻量级锁与重量级锁的比较：
  
  • 重量级锁是一种悲观锁，它认为总是有多条线程要竞争锁，所以它每次处理共享数据时，不管当前系统中是否真的有线程在竞争锁，它都会使用互斥同步来保证线程的安全；
  • 而轻量级锁是一种乐观锁，它认为锁存在竞争的概率比较小，所以它不使用互斥同步，而是使用CAS操作来获得锁，这样能减少互斥同步所使用的『互斥量』带来的性能开销。
• 实现原理：
  
  • 对象头称为『Mark Word』，虚拟机为了节约对象的存储空间，对象处于不同的状态下，Mark Word中存储的信息也所有不同。
  • Mark Word中有个标志位用来表示当前对象所处的状态。
  • 当线程请求锁时，若该锁对象的Mark Word中标志位为01（未锁定状态），则在该线程的栈帧中创建一块名为『锁记录』的空间，然后将锁对象的Mark Word拷贝至该空间；最后通过CAS操作将锁对象的Mark Word指向该锁记录；
  • 若CAS操作成功，则轻量级锁的上锁过程成功；
  • 若CAS操作失败，再判断当前线程是否已经持有了该轻量级锁；若已经持有，则直接进入同步块；若尚未持有，则表示该锁已经被其他线程占用，此时轻量级锁就要膨胀成重量级锁。
• 前提：轻量级锁比重量级锁性能更高的前提是，在轻量级锁被占用的整个同步周期内，不存在其他线程的竞争。若在该过程中一旦有其他线程竞争，那么就会膨胀成重量级锁，从而除了使用互斥量以外，还额外发生了CAS操作，因此更慢！

偏向锁

• 作用：偏向锁是为了消除无竞争情况下的同步原语，进一步提升程序性能。
• 与轻量级锁的区别：轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作来代替互斥量的使用，从而实现同步；而偏向锁是在无竞争的情况下完全取消同步。
• 与轻量级锁的相同点：它们都是乐观锁，都认为同步期间不会有其他线程竞争锁。
• 原理：当线程请求到锁对象后，将锁对象的状态标志位改为01，即偏向模式。然后使用CAS操作将线程的ID记录在锁对象的Mark Word中。以后该线程可以直接进入同步块，连CAS操作都不需要。但是，一旦有第二条线程需要竞争锁，那么偏向模式立即结束，进入轻量级锁的状态。
• 优点：偏向锁可以提高有同步但没有竞争的程序性能。但是如果锁对象时常被多条线程竞争，那偏向锁就是多余的。
• 偏向锁可以通过虚拟机的参数来控制它是否开启。