JVM锁优化
一、自旋锁和自适应自旋锁
自旋锁：
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操作系统切换CPU从用户态转到核心态中去完成。这些操作给操作系统的并发性能带来了很大的压力。
如果同步代码块中的内容过于简单，状态切换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。
在许多场景中，共享数据（同步资源）的锁定状态只会持续很短的一段时间，为了这段时间去挂起和恢复线程并不值得。如果物理机器上有一个以上的处理器，能让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面请求锁的那个线程”稍等一下“，但不放弃处理器的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。
为了让当前线程『稍等一下』，我们只需要让线程执行一个忙循环，即自旋，这项技术就是所谓的自旋锁。如果在自旋完成后前面锁定同步资源的线程已经释放了锁，那么当前线程就可以不必阻塞而是直接获取同步资源，从而避免切换线程的开销。
自旋锁在1.6之后默认开启，自旋等待不能代替阻塞，虽然避免了线程切换的开销（挂起唤醒，用户态转核心态），但是还是会占用处理器的时间，因此如果锁被占用的时间很短，那么自旋等待的效果就会非常好，如果锁占用的时间很长，那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源，带来性能浪费。因此自旋等待的时间要有一定的限度，如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁，那就应当用传统的方式去挂起线程了。自旋的次数默认是10次（可以使用-XX:PreBlockSpin来更改）。
适应锁自旋锁（自适应锁）：
1.6引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的时间不再固定了，而是由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。
如果在同一个对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也是很可能再次成功，进而它将允许自选等待持续相对更长的时间。
如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后尝试获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，直接阻塞线程，避免浪费处理器资源。
二、JVM锁优化
锁消除：
锁消除是指在虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要判定依据来源于逃逸分析的数据支持，如果判断在一段代码中，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，同步加锁就无需进行。
锁粗化：
原则上，我们在编写代码的时候，总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小——只在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小（减少锁时间），如果存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快拿到锁。但是如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，那即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能消耗。如StringBuffer类的append()方法就是这种情况，每个append()方法都对同一个对象加锁，且append()可能连续出现多次。
@Override public synchronized StringBuffer append(String str) { toStringCache = null; super.append(str); return this; }
如果虚拟机探测到有这样一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把锁同步的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部，如多个append()的话就会扩展到第一个append()操作之前直至最后一个append()操作之后，这样只需要加锁一次就可以了。
锁的状态从低到高依次为：无锁-->偏向锁-->轻量级锁-->重量级锁 ，锁升级的过程就是从低到高，降级在一定条件下也是有可能发生的。
无锁：
无锁没有对资源进行锁定，所有线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功。 CAS即是无锁的实现。
偏向锁：
1.6引入的一项锁优化，目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语，进一步提高程序的运行性能。如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向锁就是在无竞争情况下把整个同步都消除掉，并且连CAS操作都不做了。
偏向锁的“偏”，就是偏心的“偏”，它的意思是这个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。
要理解偏向锁以及轻量级锁的原理和运作过程，必须了解JVM的对象（对象头部分）的内部布局。
HotSpot JVM的对象头（Object Header）分为两部分信息：
Mark Word：用来存储对象自身的运行时数据，如哈希码（hashCode）、GC分代年龄、锁标志位等。官方称为Mark Word，它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。
Klass Point：用于存储指向方法区对象类型的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。如果是数组的话，还会有一个额外的部分用于存储数组的长度。
对象头中Mark Word 在不同状态下的存储内容如下：
| 锁状态 | 存储内容（剩余bit） | 是否为偏向锁（1bit） | 锁标志位（2bit） |
| 无锁 | 对象哈希码、分代年龄 | 0 | 01 |
| 偏向锁 | 偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄 | 1 | 01 |
| 轻量级锁 | 指定锁记录的指针 | 无此bit | 00 |
| 重量级锁 | 指向重量级锁的指针 | 无此bit | 10 |
| GC标记 | 空，不需要记录记录信息 | 无此bit | 11 |
偏向锁的机制：
如果虚拟机开启了偏向锁，1.6默认开启，那么当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机会把对象头中的标志为设为01，即偏向模式。
同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中，如果CAS操作成功，持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机都可以不再进行任何同步操作。当有另外一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式宣告结束。根据锁对象目前是否出于被锁定的状态，撤销偏向（Revoke Bias）后恢复到未锁定（标志位为01）或轻量级锁定（标志位为00）的状态，后续的同步操作就按轻量级锁的过程来执行。
偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能。但是它并不一定总是对程序有利，如果程序中大多数的锁总是被多个不同的线程访问，那么偏向模式就是多余的。
轻量级锁：
1.6引入的新型锁机制，轻量级是相对使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的，传统的锁机制就称为重量级锁。轻量级锁并不能替代重量级锁，它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。
当锁是偏向锁的时候，被另外的线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，从而提高性能。
轻量级锁的执行过程：
在代码进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定（锁标识位为01的时候），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word拷贝，加了一个前缀Displaced，即Displaced Mark Word。
然后虚拟机将使用CAS操作尝试将锁对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标识位修改为00，即表示此对象处于轻量级锁定状态。如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查锁对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。
如果当前只有一个线程等待获取锁，则该线程通过自旋进行等待。但是当自旋超过一定次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁升级为重量级锁。锁标志的状态值变为10，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待的线程也要进入阻塞状态。
可以看到轻量级锁的加锁过程是通过CAS来实现的，同样，解锁过程也是通过CAS操作来进行的，如果对象的Mark Word仍然指向着线程的锁记录，那就用CAS操作把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来，如果替换成功，整个同步过程就完成了。如果替换失败，说明有其他线程尝试获取该锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。
轻量级锁能提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”，这是一个经验数据。如果没有竞争，轻量级锁使用CAS操作避免了使用互斥量的开销，如果存在锁竞争，那么除了互斥量的开销外，还额外发生了CAS操作，因此在有竞争的情况下，轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。
重量级锁：
升级为重量级锁时，锁标志的状态值变为“10”，此时Mark Word中存储的是指向重量级锁的指针，此时除了拥有锁的线程外，其他等待锁的线程都会进入阻塞状态。
综上，偏向锁通过对比Mark Word解决加锁问题，避免执行CAS操作。而轻量级锁是通过用CAS操作和自旋来解决加锁问题，避免线程阻塞和唤醒而影响性能。重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞
END.
