同步锁的优化思路及JDK对锁的一些优化

水深无声 2022-02-21 07:57 268阅读 0赞

## 一、锁优化的思路和方法 ##

###### 主要有以下5点： ######

*  减少锁持有时间  
    主要就是精准的确定需要加锁的模块，不需要加锁的代码模块分离在同步块之外。
 *  减小锁粒度  
    将大对象（这个对象可能会被很多线程访问），拆成小对象，大大增加并行度，降低锁竞争。降低了锁的竞争，偏向锁，轻量级锁成功率才会提高。最最典型的减小锁粒度的案例就是`ConcurrentHashMap`。
 *  锁分离  
    最常见的锁分离就是读写锁ReadWriteLock，根据功能进行分离成读锁和写锁，这样读读不互斥，读写互斥，写写互斥，即保证了线程安全，又提高了性能。
 *  锁粗化  
    简而言之就是将一系列连续的加锁模块，用同一个锁进行管理，可以避免线程频繁的进行加锁/解锁操作。
 *  锁消除  
    锁消除是在编译器级别的事情。涉及Java逃逸分析技术，下面内容详细说一下哈。

## 二、JDK对锁的一些优化介绍： ##

#### 1、 偏向锁 ####

锁偏向是一种针对加锁操作的优化手段。  
如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式。当这个线程再次请求锁时，无须再做任何同步操作。这样就节省了大量有关锁申请的操作，从而提高了程序性能。

因此，对于几乎没有锁竞争的场合，偏向锁有比较好的优化效果，因为连续多次极有可能是同一个线程请求相同的锁。而对于锁竞争比较激烈的场合，其效果不佳。因为在竞争激烈的场合，最有可能的情况是每次都是不同的线程来请求相同的锁。

JVM默认启用偏向锁 `-XX:+UseBiasedLocking`

#### 2、 轻量级锁 ####

如果偏向锁失败，即上一个请求的锁的线程和这个线程不是同一个。偏向锁失败意味者不能避免做同步操作。此时，虚拟机并不会立即挂起线程。他会使用一种成为轻量级锁的优化手段。

轻量级锁是一种快速的锁定方法，在进入互斥之前，使用`CAS`操作来尝试加锁，尽量不要用操作系统层面的互斥，提高了性能。

轻量级锁的操作也很方便，它只是简单地将对象头部作为指针，指向持有锁的线程堆栈的内部，来判断一个线程是否持有对象锁。 如果线程获得轻量级锁成功，则可以顺利进入临界区。如果轻量级锁失败，则表示其他线程抢先争夺了锁，那么当前线程的锁请求就会膨胀为重量级锁。

#### 3、 自旋锁 ####

锁膨胀后，虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起，虚拟机还会在做最后的努力–`自旋锁`。

由于当前线程暂时无法获得锁，但是什么时候可以获得锁是一个未知数。也许在CPU几个时钟周期后，就可以得到锁。如果这样，简单粗暴的挂起线程可能是一种得不偿失的操作，因此系统会进行一次赌注：它会假设在不久的将来，线程可以得到这把锁。因此虚拟机让当前线程做个`空循环`，在经过若干次循环后，如果可以得到锁，那么就顺利进入临界区。如果还不能得到锁，才会真实地将线程在操作系统层面挂起。

如果同步块很长，自旋失败，会降低系统性能。如果同步块很短，自旋成功，节省线程挂起切换时间，提升系统性能。利弊还是要自己判断！

JDK1.6中`-XX:+UseSpinning`开启。JDK1.7中，去掉此参数，改为内置实现 。

#### TIP：小总结 ####

首先偏向锁是为了避免某个线程反复获得/释放同一把锁时的性能消耗，
    如果仍然是同个线程去获得这个锁，尝试偏向锁时会直接进入同步块，不需要再次获得锁。
    
    而轻量级锁和自旋锁都是为了避免直接调用操作系统层面的互斥操作，因为挂起线程是一个很耗资源的操作。

#### 4、 锁消除 ####

锁消除是一种更彻底的锁优化，锁消除是在编译器级别的事情。Java虚拟机在JIT编译时，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁。通过锁消除，可以节省毫无意义的请求锁时间。

下面这种这种情况，我们使用`Vector`， 而`Vector`内部使用了`synchronize`请求锁。

public String []  createStrings(){ 
        Vector<String>  v = new Vector<String>();
        for(int i=0; i<100; i++){ 
            v.add(Integer.toString(i));
        }
        return v.toArray(new String[]{ });
    }

由于`V`只在函数`createStrnigs`中使用，因此它只是一个单纯的局部变量。局部变量是在线程栈上分配的，属于线程私有额数据，因此不可能被其他线程访问。所以，在这种情况下，Vector内部所有加锁同步都是没有必要的。如果虚拟机检测到这种情况，就会将这些无用的锁操作去除。

锁消除涉及的一项关键技术为`逃逸分析`。  
**所谓`逃逸分析`就是观察某一个变量是否会逃出某一个作用域**。

在本例中，变量v显然没有逃出`createString` 函数之外。以此为基础，虚拟机才可以大胆的将`v`内部的加锁操作去除。如果`createStrings`返回的不是String数组，而是`v`本身，那么就认为变量`v`逃逸出了当前函数，也就是说`v`有可能被其他线程访问。如是这样，虚拟机就不能消除v中的锁操作。

在-server模式下打开`逃逸分析`和`锁消除（+表示打开，-表示关闭）`参数为：`-XX:DoEscapeAnalysis -XX:+EliminateLocks`

对比一下开启锁消除与否，相同代码的耗时情况：

public class EliminateLockDemo { 
        public static void main(String[] args) { 
            long start=System.currentTimeMillis();
            for (int i=0;i<20000000;i++){ 
                createStringBuffer("JVM","Diagnosis");
            }
            long bufferCost=System.currentTimeMillis()-start;
            System.out.println("createStringBuffer:"+bufferCost+" ms");
        }
    
        private static String createStringBuffer(String jvm, String diagnosis) { 
            StringBuffer stringBuffer=new StringBuffer();
            stringBuffer.append(jvm);
            stringBuffer.append(diagnosis);
            return stringBuffer.toString();
        }
    }

jvm配置`-server -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+EliminateLocks`  
对应耗时：

createStringBuffer:1166 ms

jvm配置为`-server -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:-EliminateLocks`  
对应耗时：

createStringBuffer:2080 ms