synchronized优化

云澳 2019-09-30

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重量级锁

synchronized关键字

前文解释了synchronized的实现和运用，了解monitor的作用，但是由于monitor监视器锁的操作是基于操作系统的底层Mutex Lock实现的，对所要加锁线程加上互斥锁，但是加锁时间相比其他指令就长很多了，因此将这种基于互斥锁的加锁机制成为重量级锁。
而在JDK1.6之后，对synchronized优化，根据不同情形出现了偏向锁、轻量锁、对象锁，自旋锁（或自适应自旋锁）等，因此，现在的synchronized可以说是一个几种锁过程的封装。
为了更好地解释下面几种锁，这里需要描述一下synchronized的线程排队和锁标志位

对象头

了解Java虚拟机知道Java的对象是创建在堆上的，指向堆的引用才放在栈上，而在堆上创建的对象结构大致是这样的

其中对象头就是用于保存对象的信息，包括哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，在不同状态的情况下，对象头内容不同

这里我们主要关注的是锁标志位，当一个线程获取对象并加锁后，标志位从01变为10，其他线程则处于排队状态。
排队机制
图中可以看出，当存在调用对象被运行的线程占用事，请求线程会进入排队队列，还有wait之后notify的线程。

自旋锁（自适应锁）

由于线程阻塞后进入排队队列和唤醒都需要CPU从用户态转为核心态，花费时间较多，尤其频繁的阻塞和唤醒对CPU来说也是负荷很重的工作，同时，统计发现很多线程锁定状态只持续很短时间，如果这时候其他线程进入等待队列之后再唤醒太费时间了，因此，出现了自旋锁。
自旋锁，由于线程阻塞和唤醒的代价比较大，对于等待的线程，不先加到等待队列中，而是去执行一个无意义的循环，一直到运行的线程结束之后去竞争锁。但是明显自旋锁使得synchronized的对象锁方式在线程之间引入了不公平，而且CPU在等待自旋锁时不做任何有用的工作，仅仅是等待，浪费资源，但是这样可以保证大吞吐率和执行效率。但是由于CPU的自旋消耗比较大，因此自旋是有范围的，超过这个范围就会进入排队队列，即重量级锁的机制
自适应自旋锁，就是自旋的次数是通过JVM在运行时收集的统计信息，动态调整自旋锁的自旋次数上界。

轻量级锁和偏向锁

在某些情况下，synchronized区域不存在竞争，依然按照重量级锁的方式运行，会无端消耗资源，因此JDK1.6之后，加入了轻量锁和偏向锁。
不过，需要注意的是轻量锁或者偏向锁不能代替重量级锁的功能，只是在无竞争环境下，减少无端消耗，如果出现竞争，还是会转换成重量级锁。

轻量级锁

在前面已经描述了Java对象头的结构，对于除了锁标志位的部分，被定义为Mark Word，图中可以发现，不同锁状态的Mark Word内容是不同，这也是对Mark Word的运用，这里主要讲无锁状态和轻量级锁状态的转换。
加锁

在运行到同步块的时候，如果锁标志位为“01”状态，是否偏向锁为“0”（无锁状态），那么虚拟机当前线程的栈帧中会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，官方称之为Displaced Mark Word。
拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中，然后通过CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，将Lock record里的owner指针指向object mark word。CAS操作是用来保证多线程情况下操作原子性的方法，即compare and set，比较成功后再操作，这里就不详细讲了。
如果更新成功，那么线程获取同步块锁并将对象头的锁标志位改为00，操作如图
如果失败，那么先检查CAS操作是否成功，如果成功，那么表示锁已经获得，直接执行即可，如果没有，就说明有竞争，那么就需要升级到重量级锁。

整个流程可以由下图表示
加锁图

偏向锁

偏向锁是比轻量级锁更轻量的锁，在无竞争情况下，使用轻量锁还是需要CAS操作进行信息交换等消耗一定资源，有的时候，同步块可能只被一个线程占用，那么甚至不需要CAS交换信息，只要做标志位即可，偏向锁就是这么做的。
加锁

当同步块的对象头处于无锁状态时，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之中的偏向线程ID，并将是否偏向锁的状态位置置为1。
操作成功后持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时，直接检查ThreadId是否和自身线程Id一致。
如果一致，那么表示线程已经获取了锁，那么直接执行即可，不需要加锁。
如果不一致，表示有其他的线程访问同步块了，此时需要判断对象头状态，如果此时处于无锁状态，那么就执行最开始的操作，将锁转移给该线程，如果仍然是偏向锁状态，那么转变成轻量锁。

解锁

线程不会主动去释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程。

整个偏向锁和升级轻量锁的过程如图

其他优化

除了以上因为不同竞争状态优化的锁，还有一些因为特殊应用场景的优化。

锁粗化

锁粗化就是将多次连接在一起的加锁、解锁操作合并为一次，将多个连续的锁扩展成一个范围更大的锁。

StringBuffer str = new StringBuffer();
str.append("1")；
str.append("2");
str.append("3");

这里由于StringBuffer内部是有锁的，在执行append()的时候原来是需要加锁解锁三次的，这里锁的粗化将三个锁合并成一个，最开始加锁之后最后再解锁。

锁消除

锁消除就是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削除，即对于代码数据的逃逸分析，如果数据无法逃逸并且私有的话，锁其实是没必要的，可以消除。
比如上面的StringBuffer变量，如果被放在有个私有函数中作为中间值，不被输出，那个根本不存在数据逃逸，就不需要加锁。