Synchronized的锁优化

今天跟着CSDN的一篇blog来学习锁的四种优化

1. 锁消除

原理：JVM在JIT（即时编译）的时候，扫描上下文，去除掉那些不可能发生共享资源竞争的锁，从而而节省了线程请求这些锁的时间。
例子：StringBuffer的append方法是一个同步方法，如果StringBuffer类型的变量是一个局部变量，则该变量就不会被其它线程所使用，即对局部变量的操作是不会发生线程不安全的问题。
在这种情景下，JVM会在JIT编译时自动将append方法上的锁去掉。

2. 锁粗化

原理：将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起，扩展成一个范围更大的锁。
例子：在for循环里的加锁/解锁操作，一般需要放到for循环外。因为每次循环都要加锁不如一次性加完锁

3. 使用偏向锁和轻量级锁

说明：
1)java6为了减少经常获取和释放锁带来的开销，引入了轻量级锁和偏向锁
2)锁一共有4中状态，级别从低到高为：无锁状态、偏向级锁、轻量级锁、重量级锁
3)锁的状态会随着竞争的情况逐渐升级，而且只能升级不能降级。

【偏向锁】
概念：大多数情况下，锁不仅不会被多线程竞争，反而还会只被一个线程多次的获取，这个时候就存在偏向锁。
原理：当一个线程拿到当前锁后，锁会在对象头和栈帧中记录这个线程的ID，等到下次这个线程来获取锁时，不用进行CAS的加锁和解锁，只需查看Mark Word中是否存储指向当前线程的偏向锁。

偏向锁的获取：
（1）访问对象的Mark Word中偏向锁的标志位是否为1，如果是1则为偏向锁
①:如果偏向锁的标志位为0说明为无锁状态，线程通过CAS操作尝试获取偏向锁，如果获取锁成功，则将Mark Word的偏向线程ID设置成当前线程ID，并且标志位置1
②如果标志位不为0也不为1说明存在锁竞争，偏向锁已经膨胀为轻量级锁，这时候通过CAS获取锁

（2）如果是偏向锁，则判断当前线程ID是否和Mark Word中的偏向线程ID一致，如果相同则无需进行CAS操作得到锁
（3）如果不一致则通过CAS操作获取锁，成功后修改MarkWord中的偏向线程ID指向这个线程ID。
（4）如果CAS获取偏向锁失败，则表示存在竞争。当达到安全局安全点时（在这个时间点没有正在执行的字节码），获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁膨胀升级成轻量锁，然后被阻塞在安全点的线程进行往下执行同步代码。

偏向锁的释放：
（1）当其他线程尝试获取偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放偏向锁
（2）释放偏向锁需要等待到全局安全点
（3）过程：
①若持有该锁的线程不活动了，则释放该线程的锁，将对象头设置成无锁状态
②若持有锁的线程还在活动，则说明发生了竞争，挂起该进程，锁升级为轻量锁然后刚刚被暂停的线程继续执行该同步代码。
（4）优点：加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步代码块的效率仅存在纳秒级的差距
（5）缺点：如果存在线程竞争，锁撤销会带来多于的开销
（6）额外说明：
①偏向锁默认在应用程序启动几秒钟之后才激活。
②可以通过设置 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来关闭延迟。
③可以通过设置 -XX:-UseBiasedLocking=false 来关闭偏向锁，程序默认会进入轻量级锁状态。(如果应用程序里的锁大多情况下处于竞争状态，则应该将偏向锁关闭)

【轻量级锁】
原理：
①当使用轻量级锁时（锁标识位为00），线程在执行同步代码之前，JVM会先在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中Mark Word复制到锁记录中（这个锁记录在栈帧中名为 Displaced Mark Word）
②将对象头的Mark Word复制到栈帧中的锁记录后，虚拟机将尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针，如果此时没有线程占用锁或者没有线程竞争锁，则当前线程获取到该锁，然后执行同步代码块。
③如果在获取锁并且执行同步代码块的过程中，另外一个线程也完成了栈帧中锁记录的创建，并且已经将Mark Word复制到自己栈的锁记录中，然后尝试用CAS将对象头中的Mark Word修改为自己的锁记录指针，当时由于之前获取了轻量锁的线程已经修改过Mark Word了，所以此时对象头中的Mark Word与当前线程锁记录中的Mark Word值不相同，导致CAS失败。然后改线程就会不断的执行CAS操作去替换Mark Word中的值，（当循环次数或者循环时间达到了上限则停止）如果在结束之前CAS操作成功，则改线程获取该锁并且成功的修改了Mark Word中的值，如果修改失败，则对象头中的Mark Word的值会被修改成指向重量锁的指针，然后该线程挂起进入阻塞态。
④当持有锁的那个进程执行完代码块后，使用CAS操作将对象头Mark Word还原为最初的状态时（将对象头中指向锁记录的指针替换为Displaced Mark Word），发现Mark Word已经被修改为指向重量锁的指针，因此CAS操作失败，该线程唤起挂起中的线程进行新一轮竞争，而此时，所有竞争失败的锁都会被阻塞，而不是自旋。

自旋锁的概念：
（1）没有得到锁的线程将自己运行一段时间自循环，而不是挂起
（2）自旋的代价就是该线程一直占用着处理器，如果占有锁的线程执行代码时间越短，则自旋的效果就越好，反之开销很大
（3）所以自旋的等待时间必须要有一定的限度。

轻量锁的优点：在没有多线程的竞争下，可以减少传统重量锁带来的消耗
缺点：竞争失败的锁会进行自旋，消耗CPU
应用：追求响应时间，同步代码块执行速度要非常快。

【重量级锁】
说明：
（1）java6之前的synchronized锁都是重量级锁，效率很低，因为monitor是依赖操作系统的Mutex Lock（互斥量）来实现的
（2）多线程竞争锁时，会引起线程的上下文切换（在时间片还没有用完的情况下进行了上下文切换），需要从用户态转化到核心态，这个状态切换需要很长的时间，所以时间成本很高
（3）在互斥的状态下，没有得到锁的线程将会被挂起，而挂起和恢复线程的操作都需要从用户态转化成内核态中完成。
优点：没有得到锁的线程不用自旋，直接挂起，不用消耗cpu
缺点：在大量竞争下，效率会异常低
应用：追求吞吐量，同步块执行速度较长。