理解高并发(6).jvm对内置锁的优化

早期的synchronized性能低下， 因为监视器锁monitor是依赖于底层操作系统的mutx-lock实现，当多个线程在monitor中的wait队列中竟争上岗时会发生线程状态切换， 这种切换需要由操作系统的内核态转化为用户态，性能比较低下。

jdk1.6对synchronized做了很多优化， 性能已经提升了很多。 具体优化策略，在对象头中引入了轻量级锁、偏向锁等标识。

• 偏向锁

    偏向锁是Java 6之后加入的新锁，它是一种针对加锁操作的优化手段，经过研究发现，在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能。所以，对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果，毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就失效了，因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的，因此这种场合下不应该使用偏向锁，否则会得不偿失，需要注意的是，偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。下面我们接着了解轻量级锁。

      -XX:+UseBiasedLocking

• 轻量锁

倘若偏向锁失败，虚拟机并不会立即升级为重量级锁，它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的)，此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争”，注意这是经验数据。需要了解的是，轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

• 自旋锁

轻量级锁失败后，虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起，还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于在大多数情况下，线程持有锁的时间都不会太长，如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失，毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高，因此自旋锁会假设在不久将来，当前的线程可以获得锁，因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因)，一般不会太久，可能是50个循环或100循环，在经过若干次循环后，如果得到锁，就顺利进入临界区。如果还不能获得锁，那就会将线程在操作系统层面挂起，这就是自旋锁的优化方式，这种方式确实也是可以提升效率的。最后没办法也就只能升级为重量级锁了。

1.4.2引入的概念，默认关闭，开启参数：-XX:+UseSpinning

          1.6做了优化，默认打开，默认次数为10次，设置循环次数：-XX:PreBlockSpin。 jdk1.6引入了自适应自旋锁，够智能。

         JDK1.7，自旋锁的参数被取消，虚拟机不再支持由用户配置自旋锁，自旋锁总是会执行，自旋锁次数也由虚拟机自动调整。

• 锁消除（逃逸分析）

     消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，这种优化更彻底，Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译)，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，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的请求锁时间

• 锁粗化

原则上，我们在编写代码的时候，总是推荐将同步块的作用范围限制的尽量小，仅仅在共享数据的实际作用域才进行同步，这样是为了使得需要同步的操作尽可能变小，如果存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快的拿到锁。大部分情况下，这儿原则是正确的，但是如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至锁出现在循环体内，即使没有线程竞争，频繁的进行互斥操作也会导致不必要的性能损耗。