Synchronized在JDK1.6后的优化

分手后的思念是犯贱 2023-06-14 13:56 4阅读 0赞

Synchronized在JDK1.6后的优化，主要包括了**自适应自旋锁、锁消除、锁粗化、轻量级锁和偏向锁**

锁主要存在四种状态：**无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁**状态，在竞争激烈的状态下锁会从左至右依次升级，一般的说法是锁只能升级而不能降级，但是在http://openjdk.java.net/jeps/8183909上有一段原文：

In its current implementation, monitor deflation is performed during every STW pause, while all Java threads are waiting at a safepoint. We have seen safepoint cleanup stalls up to 200ms on monitor-heavy-applications.

目前HotSpot JVM锁是可以降级的，重量级锁降级发生于 STW 阶段，降级对象为仅仅能被 VMThread 访问而没有其他 JavaThread 访问的对象。但是锁升降级效率较低，如果频繁升降级的话对性能就会造成很大影响。

接下来分别介绍一下各种锁

**自旋锁**

线程的阻塞和唤醒需要CPU从用户态（user mode）转为核心态（kernal mode），频繁的阻塞唤醒需要消耗大量的性能，并且很多对象的锁只持续很短的一段时间，没必要为了这一小段时间而频繁的阻塞和唤醒。这时就出现了自旋锁，自旋锁会等待一小段时间，如果这时获取到了锁，就不再切换为核心态，没有获取到再进入核心态竞争锁。

自旋锁也有一定的缺点，虽然它可以避免线程切换带来的开销，但是它占用了处理器的时间。如果持有锁的线程很快就释放了锁，那么自旋的效率就非常好，反之，自旋的线程就会白白消耗掉处理的资源，这样反而会带来性能上的浪费。所以说，自旋等待的时间（自旋的次数）必须要有一个限度，如果自旋超过了定义的时间仍然没有获取到锁，则应该被挂起。

自旋锁适用的场景应该是持有锁的时间很短的场景。

**自适应自旋锁**

JDK 1.6引入了更加聪明的自旋锁，即自适应自旋锁。自适应自旋锁会根据上一次的锁的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定下一次自旋的次数。如果成功自旋，则允许自旋次数更多；如果自旋操作失败，则减少自旋的次数或忽略自旋过程，以节省资源。

**锁消除**

某些情况下，JVM检测到不可能存在数据的竞争，也就是线程安全，就会把代码中的加锁逻辑去掉，这就是锁消除。在不存在竞争的情况下，去除锁的逻辑，可以减少资源的消耗。锁消除的依据是逃逸分析的数据支持。

public void vectorTest(){
        Vector<String> vector = new Vector<String>();
        for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){
            vector.add(i + "");
        }
        System.out.println(vector);
    }

在运行这段代码时，JVM可以明显检测到变量vector没有逃逸出方法vectorTest()之外，所以JVM可以大胆地将vector内部的加锁操作消除。

**锁粗化**

使用锁的时候，一般情况下，都推荐作用的范围尽量小一点，这样同步操作的时间会更短。但是如果是对同一个对象进行反复的加锁解锁，或是在循环中反复进行这样的操作，就会造成不必要的性能损耗。JVM检测到这样的场景，就会把加锁的范围扩大，扩展成一个范围更大的锁，这就是锁粗化。

**轻量级锁**

轻量级锁提升的依据是**对于绝大部分的锁，在整个生命周期内都是不会存在竞争的**。引入轻量级锁的主要目的是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。当关闭偏向锁功能或者多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁，则会尝试获取轻量级锁。

在没有竞争的情况下，轻量级锁使用CAS操作，减少了操作系统互斥量产生的性能消耗。在存在竞争的情况下，轻量级锁的CAS反而会增加性能的消耗。

轻量级锁适用于多线程竞争较少的场景。

**偏向锁**

在没有多线程竞争的前提下，自始至终都只有一个线程使用锁的话，那么连轻量级锁都不需要了。偏向锁的作用就是减少无竞争，且只有一个线程使用锁的场景下，使用轻量级锁的消耗。轻量级锁每次获取释放锁都需要进行CAS操作，而偏向锁只需要初始化时进行一次CAS操作。

**重量级锁**

重量级锁通过对象内部的监视器（monitor）实现，其中monitor的本质是依赖于底层操作系统的Mutex Lock实现，操作系统实现线程之间的切换需要从用户态到内核态的切换，切换成本非常高。

**总结**