java中鎖的優化 -- JVM對synchronized的優化

1）鎖消除

概念：JVM在JIT編譯(即時編譯)時，經過對運行上下文的掃描，去除掉那些不可能發生共享資源競爭的鎖，從而節省了線程請求這些鎖的時間。

舉例：
	StringBuffer的append方法是一個同步方法，若是StringBuffer類型的變量是一個局部變量，則該變量就不會被其它線程所使用，即對局部變量的操做是不會發生線程不安全的問題。
	在這種情景下，JVM會在JIT編譯時自動將append方法上的鎖去掉。

2）鎖粗化

概念：將多個連續的加鎖、解鎖操做鏈接在一塊兒，擴展成一個範圍更大的鎖，即將加鎖的粒度放大。

舉例：在for循環裏的加鎖/解鎖操做，通常須要放到for循環外。

3）使用偏向鎖和輕量級鎖

說明：
	1)java6爲了減小獲取鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，引入了偏向鎖和輕量級鎖。
	2)鎖一共有4種狀態，級別從低到高依次是：無鎖狀態、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。
	3)鎖的狀態會隨着競爭狀況逐漸升級，而且只能夠升級而不能降級。
	
【偏向鎖】

	1)背景：大多數狀況下，鎖不只不存在多線程競爭，並且老是由同一線程屢次得到，爲了讓線程得到鎖的代價更低而引入了偏向鎖。
	
	2)概念：核心思想就是鎖會偏向第一個獲取它的線程，若是在接下來的執行過程當中沒有其它的線程獲取該鎖，則持有偏向鎖的線程永遠不須要同步。
	
	3)目的：偏向鎖其實是一種優化鎖，其目的是爲了減小數據在無競爭狀況下的性能損耗。
	
	4)原理：
		1>當一個線程訪問同步塊並獲取鎖時，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄裏存儲鎖偏向的線程ID。
		2>之後該線程在進入和退出同步塊時就不須要進行CAS操做來加鎖和解鎖，只需簡單地判斷一下對象頭的Mark Word裏是否存儲着指向當前線程的偏向鎖。
	
	5)偏向鎖的獲取：
		1>訪問Mark Word中偏向鎖的標識位是否爲1，若是是1，則肯定爲偏向鎖。
			說明：
				[1]若是偏向鎖的標識位爲0，說明此時是處於無鎖狀態，則當前線程經過CAS操做嘗試獲取偏向鎖，若是獲取鎖成功，則將Mark Word中的偏向線程ID設置爲當前線程ID；而且將偏向標識位設爲1。
				[2]若是偏向鎖的標識位不爲1，也不爲0(此時偏向鎖的標識位沒有值)，說明發生了競爭，偏向鎖已經膨脹爲輕量級鎖，這時使用CAS操做嘗試得到鎖。
				
		2>若是是偏向鎖，則判斷Mark Word中的偏向線程ID是否指向當前線程，若是偏向線程ID指向當前線程，則代表當前線程已經獲取到了鎖；
		
		3>若是偏向線程ID並未指向當前線程，則經過CAS操做嘗試獲取偏向鎖，若是獲取鎖成功，則將Mark Word中的偏向線程ID設置爲當前線程ID；
		
		4>若是CAS獲取偏向鎖失敗，則表示有競爭。當到達全局安全點時(在這個時間點上沒有正在執行的字節碼)，得到偏向鎖的線程被掛起，偏向鎖升級爲輕量級鎖，而後被阻塞在安全點的線程繼續往下執行同步代碼。
	
    6)偏向鎖的釋放：  
        1>當其它的線程嘗試獲取偏向鎖時，持有偏向鎖的線程纔會釋放偏向鎖。  
        2>釋放偏向鎖須要等待全局安全點(在這個時間點上沒有正在執行的字節碼)。 
		3>過程：
			首先暫停擁有偏向鎖的線程，而後檢查持有偏向鎖的線程是否活着，若是線程不處於活動狀態，則將對象頭設置成無鎖狀態，
			若是線程還活着，說明此時發生了競爭，則偏向鎖升級爲輕量級鎖，而後剛剛被暫停的線程會繼續往下執行同步代碼。
	
	7)優勢：加鎖和解鎖不須要額外的消耗，和執行非同步方法相比僅存在納秒級的差距

	8)缺點：若是線程間存在鎖競爭，鎖撤銷會帶來額外的消耗。
	
	9)說明：
		1)偏向鎖默認在應用程序啓動幾秒鐘以後才激活。
		2)能夠經過設置 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 來關閉延遲。
		3)能夠經過設置 -XX:-UseBiasedLocking=false 來關閉偏向鎖，程序默認會進入輕量級鎖狀態。(若是應用程序裏的鎖大多狀況下處於競爭狀態，則應該將偏向鎖關閉)
	

【輕量級鎖】  
	1)原理：
		1>當使用輕量級鎖(鎖標識位爲00)時，線程在執行同步塊以前，JVM會先在當前線程的棧楨中建立用於存儲鎖記錄的空間，並將對象頭中的Mark Word複製到鎖記錄中(注:鎖記錄中的標識字段稱爲Displaced Mark Word)。
		
		2>將對象頭中的MarkWord複製到棧楨中的鎖記錄中以後，虛擬機將嘗試使用CAS將對象頭中Mark Word替換爲指向該線程虛擬機棧中鎖記錄的指針，此時若是沒有線程佔有鎖或者沒有線程競爭鎖，則當前線程成功獲取到鎖，而後執行同步塊中的代碼。
		
		3>若是在獲取到鎖的線程執行同步代碼的過程當中，另外一個線程也完成了棧楨中鎖記錄的建立，而且已經將對象頭中的MarkWord複製到了本身的鎖記錄中，而後嘗試使用CAS將對象頭中的MarkWord修改成指向本身的鎖記錄的指針，可是因爲以前獲取到鎖的線程已經將對象頭中的MarkWord修改過了(而且如今還在執行同步體中的代碼,即仍然持有着鎖)，因此此時對象頭中的MarkWord與當前線程鎖記錄中MarkWord的值不一樣，致使CAS操做失敗，而後該線程就會不停地循環使用CAS操做試圖將對象頭中的MarkWord替換爲本身鎖記錄中MarkWord的值，(當循環次數或循環時間達到上限時中止循環)若是在循環結束以前CAS操做成功，那麼該線程就能夠成功獲取到鎖，若是循環結束以後依然獲取不到鎖，則鎖獲取失敗，對象頭中的MarkWord會被修改成指向重量級鎖的指針，而後這個獲取鎖失敗的線程就會被掛起，阻塞了。
		
		4>當持有鎖的那個線程執行完同步體以後，使用CAS操做將對象頭中的MarkWord還原爲最初的狀態時(將對象頭中指向鎖記錄的指針替換爲Displaced Mark Word )，發現MarkWord已被修改成指向重量級鎖的指針，所以CAS操做失敗，該線程會釋放鎖並喚起阻塞等待的線程，開始新一輪奪鎖之爭，而此時，輕量級鎖已經膨脹爲重量級鎖，全部競爭失敗的線程都會阻塞，而不是自旋。

        自旋鎖：  
            1)所謂自旋鎖，就是讓沒有得到鎖的進程本身運行一段時間自循環(默認開啓)，可是不掛起線程。  
            2)自旋的代價就是該線程會一直佔用處理器若是鎖佔用的時間很短，自旋等待的效果很好，反之，自旋鎖會消耗大量處理器資源。  
            3)所以，自旋的等待時間必須有必定限度，超過限度尚未得到鎖，就要掛起線程。  

    優勢：在沒有多線程競爭的前提下，減小傳統的重量級鎖帶來的性能損耗。  
      
    缺點：競爭的線程若是始終得不到鎖，自旋會消耗cpu。  

    應用：追求響應時間，同步塊執行速度很是快。  
      
      
【重量級鎖】  

	說明：
		1)java6以前的synchronized屬於重量級鎖，效率低下，由於monitor是依賴操做系統的Mutex Lock(互斥量)來實現的。
		2)多線程競爭鎖時，會引發線程的上下文切換(即在cpu分配的時間片尚未用完的狀況下進行了上下文切換)。
		3)操做系統實現線程的上下文切換須要從用戶態轉換到核心態，這個狀態之間的轉換須要相對較長的時間，時間成本相對較高。
		4)在互斥狀態下，沒有獲得鎖的線程會被掛起阻塞，而掛起線程和恢復線程的操做都須要從用戶態轉入內核態中完成。

	優勢：線程競爭不使用自旋，不會消耗cpu。
	
	缺點：線程阻塞，響應時間緩慢。
	
	應用：追求吞吐量，同步塊執行速度較長