JVM（五）----------------线程安全之锁机制

锁机制是JAVA虚拟机实现线程安全的方法之一。在这里介绍几个锁优化

锁优化技术（HotSpot虚拟机而言）包括适应性自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁和偏向锁等。这些技术都是为了在线程之间更高效地共享数据以及解决竞争问题，从而提高程序效率。

1.自旋锁与自适应自旋

为什么选择自旋去消耗CPU而不直接等待？

互斥同步对性能最大的影响是阻塞的实现，挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给操作系统的并发性能带来了很大的压力。 如果锁定状态只维持很短的一段时间，为了这段时间去挂起和恢复线程并不值得。 
但是，自旋不能代替阻塞，因为需要占用处理器时间。

在互斥同步的时候，为了消除线程切换带来的性能消耗，让等待锁的线程执行一个忙循环（自旋），而不放弃处理器的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。这就是自旋锁。

自旋等待虽然避免了线程切换的开销，但如果锁被占用很长时间，自旋的线程只会白白浪费处理器资源，所以自旋等待的时间要有一定限度。如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁，就使用传统的方式挂起线程。自旋默认的次数是10，可以通过参数-XX:PreBlockSpin更改。

自适应的自旋锁意味着自旋时间不再固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。

2.锁消除

锁消除是指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消除。锁消除的主要判断依据来源于逃逸分析的数据支持，如果判断在一段代码中，堆上的所有数据都不会逃逸出去从而被其他线程访问到，那就可以把它们当做栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁就无需进行。
这种情况主要是一些Java API中类自己的同步的消除，因为一般在编写代码时都会清除哪些数据存在竞争。

3.轻量级锁

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。

轻量级锁是通过对象头存储区域状态实现的，对象头的内存布局，对象头分为两部分信息：

（1）第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码，GC分代年龄等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分为32bit和64bit，官方称为“Mark Word”，它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。

（2）另外一部分用于存储指向方法区对象类型数据的指针，如果是数组对象的话，还会有一个额外的部分用于存储数组长度

 轻量级锁的加锁过程：

• 在代码块进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定，虚拟机首先将在当前线程的栈帧中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（官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced前缀，即Displaced Mark Word）
• 虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record 的指针。如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位将转变为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态
• 如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word 是否指向当前线程的栈帧，如果只说明当前线程已经拥有了这个对象锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word 中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待的线程也要进入阻塞状态

轻量级锁的解锁过程：

• 解锁过程也是通过CAS操作进行的，如果对象的Mark Word 任然指向着线程的锁记录，那就用CAS操作把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来，如果替换成功，整个同步过程就完成了。如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

轻量级锁能提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”，这是一个经验数据。如果没有竞争，轻量级锁使用了CAS操作避免了使用互斥量的开销，但如果存在锁竞争，除了互斥量的开销外，还额外发生了CAS操作，因此在有竞争的情况下，轻量级锁会比传统重量级锁更慢。

4.偏向锁 

 轻量级锁是在无竞争情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉，连CAS操作都不做了。

偏向锁中的“偏向”是指锁偏向于第一个获取它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程永远不需要同步。

偏向锁的原理：当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机将Mark World的标志位设为偏向模式（01），同时使用CAS操作将获取到该锁的线程ID记录在Mark World之中。如果CAS操作成功，持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁的同步块时，虚拟机都不再进行任何同步操作。当有另外的线程尝试获取该锁时，偏向模式就结束了。此时，根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，撤销偏向后恢复到未锁定或者轻量级锁的状态。后续的操作就如同轻量级锁那样执行。

偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能，是一个带有效益权衡（Trade Off）性质的优化，它并不一定总是对程序运行有利。如果程序中总是被多个不同的线程访问，那偏向模式就是多余的。