JVM鎖優化

JVM的鎖優化

鎖優化技術（HotSpot虛擬機而言）包括適應性自旋、鎖消除、鎖粗化、輕量級鎖和偏向鎖等。這些技術都是爲了在線程之間更高效地共享數據以及解決競爭問題，從而提升程序效率。

自旋鎖

什麼是自旋鎖？

若是線程獲取不到鎖，第一時間不是去切換系統態進行等待，而是作一個循環操做，去等到鎖的釋放，循環到必定的次數終止循環，調入系統調用。爲了讓線程等待，而不是阻塞，讓線程執行一個忙循環（自旋），這就是自旋鎖。

爲何消耗CPU而不是等待？

自旋鎖的優化主要是爲了減小了線程切換帶來的消耗。

自旋鎖適應的場景

自旋鎖適合那些線程佔用鎖時間短的場景。

什麼是自適應自旋鎖？

JDK1.6加入了自適應自旋鎖。顧名思義，若是在同一個鎖對象上，自旋等待剛剛成功得到過鎖，而且持有鎖的線程正在運行，那麼虛擬機就會認爲此次自旋也頗有可能再次成功，並將自旋等待時間延長。若是對於某個鎖，自旋不多成功，那麼在以後獲取該鎖時可能會放棄不自旋直接掛起線程。

鎖消除

什麼是鎖消除？

指虛擬機即時編譯器在運行時，對一些代碼上要求同步，可是被檢測到不可能存在共享數據競爭時，把鎖進行消除。

怎樣判斷哪些代碼能夠進行鎖消除？

鎖消除的主要判斷依據來源於逃逸分析的數據支持，若是判斷在一段代碼中，堆上的全部數據都不會逃逸出去從而被其餘線程訪問到，那就能夠把它們當作棧上數據對待，認爲它們是線程私有的，同步加鎖就無需進行。

鎖粗化

什麼是鎖粗化？

若是一系列的連續動做都對同一對象反覆加鎖和解鎖，甚至加鎖操做時出如今循環體中的，那即便沒有線程競爭，頻繁地進行互斥同步操做也會致使沒必要要的性能損耗，好比連續的append()方法。

輕量級鎖和偏向鎖

在說輕量級鎖和偏向鎖以前，咱們要先了解一下HotSpot虛擬機中對象的對象頭。

HotSpot虛擬機的對象頭分爲兩部分信息：

• 第一部分用域存儲對象自身的運行時數據（Mark Word），如哈希碼、GC分代年齡等，他是實現輕量級鎖和偏向鎖的關鍵。
• 另外一部分用於存儲只想方法區對象類型的指針，若是是數組對象，還有一個額外部分存儲數組長度。

因此，咱們來看一下對象頭的Mark Word中的存儲內容有哪些？

存儲內容	標誌位	狀態	用處
對象哈希碼，對象分代年齡	01	未鎖定	狀態
指向鎖記錄的指針	00	輕量級鎖定	狀態
指向重量級鎖的指針	10	膨脹	狀態
空，不須要記錄信息	11	GC標記	狀態
偏向線程ID，偏向時間戳、對象分代年齡	01	可偏向	狀態

什麼是CAS操做？

CAS是英文單詞CompareAndSwap的縮寫，中文意思是：比較並替換。簡單來講，CAS整個比較並替換的操做是一個原子操做。

輕量級鎖

什麼是輕量級鎖？

他的意思是在沒有多線程競爭的前提下，減小傳統的重量級鎖使用操做系統互斥量產生的消耗

輕量級鎖的執行過程？

加鎖過程：

• 進入同步塊的時候，若是此同步對象沒有被鎖定(鎖標誌位爲「01」狀態)，虛擬機首先將在當前線程的幀棧中創建一個名爲「鎖空間」(Lock Record)的空間，用於存儲鎖對象目前Mark Word的拷貝（這份拷貝叫Displaced Mark Word）
• 虛擬機將使用CAS操做嘗試將對象的Mark Word更新爲指向Lock Record的指針
  • 若是成功，這個線程就有了該對象的輕量級鎖，Mark Word的鎖標誌位變爲「00」
  • 若是失敗，虛擬機先檢查對象的Mark Word是否指向當前線程的棧幀
    • 若是指向當前線程幀棧就說明該線程獲取到了該鎖，可進入同步塊繼續執行
    • 若沒指向當前線程的幀棧，表示這個鎖對象被其餘線程佔用，這時輕量級鎖再也不有效，要膨脹爲重量級鎖，鎖的標誌位變爲「10」，Mark Word 中存儲的就是指向重量級鎖（互斥量）的指針，後面等待的線程也要進入阻塞狀態

解鎖過程：

• 若是對象的Mark Word仍然指向線程的鎖記錄，就用CAS操做把對象當前Mark Word和線程中複製的Displaced Mark Word替換回來
  • 替換成功，同步完成
  • 替換失敗，有其餘線程嘗試獲取該鎖，釋放鎖的同時，喚醒被掛起的線程。

輕量級鎖的使用場景

提高程序同步性能的依據是「對於絕大部分的鎖，在整個同步週期內都是不存在競爭的」。

若是沒有競爭，輕量級鎖使用CAS操做避免了使用互斥量的開銷。

但若是存在鎖競爭，除了互斥量的開銷外，還額外發生了CAS操做，所以在有競爭的狀況下，輕量級鎖會比傳統的重量級鎖更慢。

偏向鎖

什麼是偏向鎖？

消除數據在無競爭狀況下的同步原語，進一步提升程序的運行性能。簡單來講就是**在無競爭的狀況下把整個同步都消除掉，連CAS操做都不作。**就是說當一個線程率先獲取到這個鎖後，若是該鎖沒有被其餘線程獲取，那麼持有偏向鎖的線程將永遠不須要同步。

工做過程

• 當鎖對象第一次被線程獲取的時候，虛擬機將會把對象頭中的標誌位設爲"01"，使用CAS操做把獲取到的鎖的線程ID記錄到Mark Word中，若是CAS操做成功，持有偏向鎖的線程之後每次進入這個鎖相關的同步塊時，都再也不進行任何操做
• 當有另外一個線程去嘗試獲取這個鎖時，偏向模式宣告結束。根據鎖對象目前是否處於被鎖定的狀態，撤銷偏向後恢復到未鎖定或輕量級鎖定的狀態，後續的同步操做就如上面介紹的輕量級鎖那樣執行

偏向鎖的使用場景

能夠提升帶有同步但無競爭的程序性能

和輕量級鎖同樣，若是這個同步塊可能不少時候都是多個線程同時訪問的話，那麼偏向鎖甚至會增長時耗

總結

JVM對鎖進行了優化，包括自旋鎖（自適應自旋鎖）、鎖粗化、輕量級鎖、偏向鎖。然後二者會由於競爭的多少而產生性能的變化。