线程理论：（四）锁优化

优化一：自旋锁与自适应自旋

　　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，这些操作给系统的并发性能带来了很大的压力。共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间，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。为了让线程等待，我们只需让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁。

　　自旋锁在JDK 1.4.2中默认是关闭的，可以使用-XX：+UseSpinning参数来开启，在JDK 1.6中就已经改为默认开启了。自旋等待本身虽然避免了线程切换的开销，但它是要占用处理器时间的，如果锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就会非常好，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。因此，自旋等待的时间必须要有一定的限度，如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁，就应当使用传统的方式去挂起线程了。自旋次数的默认值是10次，用户可以使用参数-XX：PreBlockSpin来更改。

　　在JDK 1.6中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。如果在同一个锁对象上，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很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间，比如100个循环。另外，如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后要获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源。

优化二：锁消除

　　锁消除是指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从而被其他线程访问到，那就可以把它们当做栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须进行。

//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转化后的字符串连接操作
public String concatString(String s1, String s2, String s3){
    //String的连接操作会被转化为StringBuilder对象的连续append()操作
    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    sb.append(s1);            
    sb.append(s2);
    sb.append(s3);
    return sb.toString();
}

　　每个StringBuffer.append()方法中都有一个同步块，锁就是sb对象，sb的动态作用域被限制在concatString()方法内部，sb的所有引用永远不会“逃逸”到concatString()方法之外，其他线程无法访问到它，因此，虽然这里有锁，但是可以被安全地消除掉，在即时编译之后，这段代码就会忽略掉所有的同步而直接执行了。

优化三：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，如果存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快拿到锁。

　　大部分情况下，上面的原则都是正确的，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损耗。　　

　　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，将会把加锁同步的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部。如上代码，连续的append()就属于这种情况，会扩展到第一个append()之前直至最后一个append()之后，这样只需要加锁一次就可以了。

优化四：偏向锁、轻量级锁

对象头的内存布局：

　　分为两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据（Mark Word），另一部分用于存储指向方法区对象类型数据的指针，如果是数组对象的话，还会有一个额外的部分用于存储数组长度。　　

　　Mark Word被设计成一个非固定的数据结构，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。如下图。

　　

 

锁升级：偏向锁 —> 轻量级锁 —> 重量级锁

1）轻量级锁：

　　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；但如果存在锁竞争，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。

加锁过程 ——

　　在代码进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定（锁标志位为“01”状态），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的拷贝（Dispatched Mard Word），

　　然后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的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的锁标志位将转变为“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。如果有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，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，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。

解锁过程 ——

　　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 Dispatched Mard 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过获取该锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

2）偏向锁：

　　偏向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。线程是不会主动去释放偏向锁，需要等待其他线程来竞争。

　　假设当前虚拟机启用了偏向锁（启用参数-XX：+UseBiasedLocking），那么，当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机将会把对象头中的标志位设为“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。

　　当有另一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式就结束了。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态， 撤销偏向后恢复到未锁定（标志位为“01”）或轻量级锁定（标志位为“00”）的状态，后续的同步操作就如上面介绍的轻量级锁那样执行。

　　偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能。但如果程序中大多数的锁都总是被多个不同的线程访问，那偏向锁局势多余的。有时使用参数 -XX:-UseBiasedLocking来禁止偏向锁优化反而可以提升性能。

3）重量级锁：使用互斥量实现。

 

 

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