Java高併發實戰，鎖的優化

鎖優化

這裏的鎖優化主要是指 JVM 對 synchronized 的優化。

自旋鎖

互斥同步進入阻塞狀態的開銷都很大，應該儘可能避免。在許多應用中，共享數據的鎖定狀態只會持續很短的一段時間。自旋鎖的思想是讓一個線程在請求一個共享數據的鎖時執行忙循環（自旋）一段時間，若是在這段時間內能得到鎖，就能夠避免進入阻塞狀態。

自旋鎖雖然能避免進入阻塞狀態從而減小開銷，可是它須要進行忙循環操做佔用 CPU 時間，它只適用於共享數據的鎖定狀態很短的場景。

在 JDK 1.6 中引入了自適應的自旋鎖。自適應意味着自旋的次數再也不固定了，而是由前一次在同一個鎖上的自旋次數及鎖的擁有者的狀態來決定。

鎖消除

鎖消除是指對於被檢測出不可能存在競爭的共享數據的鎖進行消除。

鎖消除主要是經過逃逸分析來支持，若是堆上的共享數據不可能逃逸出去被其它線程訪問到，那麼就能夠把它們當成私有數據對待，也就能夠將它們的鎖進行消除。

對於一些看起來沒有加鎖的代碼，其實隱式的加了不少鎖。例以下面的字符串拼接代碼就隱式加了鎖：

public static String concatString(String s1, String s2, String s3) {
    return s1 + s2 + s3;
}複製代碼

String 是一個不可變的類，編譯器會對 String 的拼接自動優化。在 JDK 1.5 以前，會轉化爲 StringBuffer 對象的連續 append() 操做：

public static String concatString(String s1, String s2, String s3) {
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(s1);
    sb.append(s2);
    sb.append(s3);
    return sb.toString();
}複製代碼

每一個 append() 方法中都有一個同步塊。虛擬機觀察變量 sb，很快就會發現它的動態做用域被限制在 concatString() 方法內部。也就是說，sb 的全部引用永遠不會逃逸到 concatString() 方法以外，其餘線程沒法訪問到它，所以能夠進行消除。

鎖粗化

若是一系列的連續操做都對同一個對象反覆加鎖和解鎖，頻繁的加鎖操做就會致使性能損耗。

上一節的示例代碼中連續的 append() 方法就屬於這類狀況。若是虛擬機探測到由這樣的一串零碎的操做都對同一個對象加鎖，將會把加鎖的範圍擴展（粗化）到整個操做序列的外部。對於上一節的示例代碼就是擴展到第一個 append() 操做以前直至最後一個 append() 操做以後，這樣只須要加鎖一次就能夠了。

輕量級鎖

JDK 1.6 引入了偏向鎖和輕量級鎖，從而讓鎖擁有了四個狀態：無鎖狀態（unlocked）、偏向鎖狀態（biasble）、輕量級鎖狀態（lightweight locked)和重量級鎖狀態（inflated）。

重量級鎖也就是一般說synchronized的對象鎖。

如下是 HotSpot 虛擬機對象頭的內存佈局，這些數據被稱爲 Mark Word。其中 tag bits 對應了五個狀態，這些狀態在右側的 state 表格中給出。除了 marked for gc 狀態，其它四個狀態已經在前面介紹過了。

下圖左側是一個線程的虛擬機棧，其中有一部分稱爲 Lock Record 的區域，這是在輕量級鎖運行過程建立的，用於存放鎖對象的 Mark Word。而右側就是一個鎖對象，包含了 Mark Word 和其它信息。

輕量級鎖是相對於傳統的重量級鎖而言，它使用 CAS 操做來避免重量級鎖使用互斥量的開銷。對於絕大部分的鎖，在整個同步週期內都是不存在競爭的，所以也就不須要都使用互斥量進行同步，能夠先採用 CAS 操做進行同步，若是 CAS 失敗了再改用互斥量進行同步。

當嘗試獲取一個鎖對象時，若是鎖對象標記爲 0 01，說明鎖對象的鎖未鎖定（unlocked）狀態。此時虛擬機在當前線程的虛擬機棧中建立 Lock Record，而後使用 CAS 操做將對象的 Mark Word 更新爲 Lock Record 指針。若是 CAS 操做成功了，那麼線程就獲取了該對象上的鎖，而且對象的 Mark Word 的鎖標記變爲 00，表示該對象處於輕量級鎖狀態。

若是 CAS 操做失敗了，虛擬機首先會檢查對象的 Mark Word 是否指向當前線程的虛擬機棧，若是是的話說明當前線程已經擁有了這個鎖對象，那就能夠直接進入同步塊繼續執行，不然說明這個鎖對象已經被其餘線程線程搶佔了。若是有兩條以上的線程爭用同一個鎖，那輕量級鎖就再也不有效，要膨脹爲重量級鎖。

偏向鎖

偏向鎖的思想是偏向於第一個獲取鎖對象的線程，這個線程在以後獲取該鎖就再也不須要進行同步操做，甚至連 CAS 操做也再也不須要。

當鎖對象第一次被線程得到的時候，進入偏向狀態，標記爲 1 01。同時使用 CAS 操做將線程 ID 記錄到 Mark Word 中，若是 CAS 操做成功，這個線程之後每次進入這個鎖相關的同步塊就不須要再進行任何同步操做。

當有另一個線程去嘗試獲取這個鎖對象時，偏向狀態就宣告結束，此時撤銷偏向（Revoke Bias）後恢復到未鎖定狀態或者輕量級鎖狀態。