聊聊JAVA中的锁优化锁升级及其底层原理剖析

1. 基础介绍

java中的锁

在Java中，锁是实现多线程并发控制的一种重要机制。它可以保证多个线程之间安全地访问共享资源，防止数据的不一致性。锁有两种类型：内部锁和外部锁。内部锁是通过synchronized实现的，它可以解决方法或代码块在多线程环境下的同步问题。外部锁则是通过ReentrantLock等类实现的，除了能解决同步问题外，还提供了更多高级功能，如公平锁、非公平锁、条件等待/通知等。

什么是锁优化和锁升级

锁优化是为了提高系统的并发性能，包括减少锁的竞争、减小锁的粒度、减少锁的持有时间等，以减少线程等待锁的时间，提高系统的吞吐量。
锁升级是指，当锁的竞争情况变得激烈时，JVM会将锁的状态由轻量级锁升级为重量级锁，以保证线程安全。同样，当锁的竞争情况减轻时，JVM也会将锁的状态由重量级锁降级为轻量级锁，以提高系统的并发性能。
锁优化和锁升级的重要性在于，它们可以在保证线程安全的前提下，提高系统的并发性能，从而提高系统的吞吐量。在高并发的系统中，锁优化和锁升级是不可或缺的。

2. Java中的锁升级过程及底层原理

1. 偏向锁实现机制和原理

偏向锁是Java 6引入的一种新的锁优化策略。它的主要思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时记录下这个线程的信息，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作。这样做的目的是为了消除无竞争的同步原语，进一步提高程序的运行性能。如果有其他线程尝试获取这个锁，那么偏向模式就会被关闭。偏向锁适用于只有一个线程访问同步块的场景。

1. 偏向锁的原理

偏向锁的核心思想是，在无竞争的情况下，把整个同步消除掉。也就是说，如果一个锁只被一个线程锁定，而没有其他线程来竞争这个锁，那么这个锁就会偏向于这个线程，从而消除这个锁的同步操作。

2. 偏向锁的底层实现

偏向锁的底层实现，主要是通过在对象头中的Mark Word里存储偏向的线程ID来实现的。当线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID。如果下次该线程再次尝试获取这个锁，由于检查到锁对象已经偏向于自己，所以无需再做任何同步操作。只有当其他线程尝试获取这个锁时，应用程序才需要做出真正的同步操作，例如撤销偏向锁，升级为轻量级锁等。

2. 轻量级锁

轻量级锁是用来提高线程并发性的一种锁优化策略，主要针对锁的竞争不激烈的场合。轻量级锁相比于重量级锁（即操作系统层面的锁），其等待是通过自旋实现的，不会将线程状态置为阻塞，从而减少了不必要的线程上下文切换。

1. 轻量级锁的原理

当一个线程尝试获取某个轻量级锁时，它首先会检查这个锁是否处于偏向状态，如果不是，它会在自己的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，然后尝试使用CAS操作将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，那么这个线程就持有了这个轻量级锁。如果失败，那么它会检查对象头中的Mark Word是否指向自己的锁记录，如果是，那么它就成功地获取到了轻量级锁；否则，它会自旋等待或者升级为重量级锁。

2. 轻量级锁的底层实现

轻量级锁的底层实现主要依赖于CAS操作和自旋技术。CAS操作是用于实现非阻塞性同步的基础，它可以在无锁的情况下保证共享数据的同步；自旋则是为了避免线程在获取不到锁时，立即进入阻塞状态，而是进行几个轮次的循环尝试，看是否能够获取到锁，从而减少线程上下文切换的开销。

3. 重量级锁

重量级锁是Java中最传统的synchronized锁，是一种互斥锁，它是依赖于JVM和操作系统的线程调度机制。当一个线程获得一个对象的重量级锁后，其他任何线程都无法再获得该对象的锁，如果还有线程尝试获取该对象的锁，就会被阻塞住，直到锁的所有者线程释放该锁。

1. 重量级锁的原理

当一个线程尝试获取一个对象的重量级锁时，如果该对象的锁已经被其他线程持有，那么该线程就会被阻塞，即不会继续执行，进入阻塞状态。直到持有锁的线程释放了锁，JVM才会从被阻塞的线程中选择一个，将锁分配给它，其他的线程仍然保持阻塞状态。

2. 重量级锁的底层实现

重量级锁的底层主要依赖于操作系统的Mutex Lock（互斥锁）来实现，当一个线程获取不到锁时，它会进入阻塞状态，等待锁的释放。在这个过程中，涉及到操作系统用户模式和内核模式的转换，以及线程的调度和切换，这些都是需要消耗大量系统资源的操作，因此称为“重量级锁”。

适用场景：当锁的竞争非常激烈，即锁保护的代码经常会被多个线程同时执行时，重量级锁的开销反而相对较小。因为这种情况下线程如果不进入阻塞状态，而是采用自旋等待锁的释放，不仅会占用CPU资源，而且由于锁的竞争激烈，线程获取锁的成功率很低，因此重量级锁更加适合。

3. Java中锁升级的详细过程剖析

1. 锁升级的触发条件

锁的升级主要有以下几种触发条件：

1. 当一个线程持有偏向锁，而另一个线程也试图获取这个锁的时候，偏向锁就会升级为轻量级锁。
2. 当一个线程持有轻量级锁，而另一个线程也试图获取这个锁的时候，轻量级锁就会升级为重量级锁。
3. 当线程进行了一定次数的自旋尝试，但仍然无法获取轻量级锁，这个时候就会升级为重量级锁。

2. 偏向锁、轻量级锁、重量级锁之间的转换过程

偏向锁升级为轻量级锁：当一个线程获取了偏向锁，而另一个线程也试图获取这个锁的时候，持有偏向锁的线程会被挂起，JVM会撤销偏向锁，然后把锁升级为轻量级锁。

轻量级锁升级为重量级锁：当轻量级锁竞争失败时，如果自旋等待也不能获取到锁，这个时候就会把轻量级锁升级为重量级锁。此时，没有获取到锁的线程会进入阻塞状态，等待锁释放。

3. 锁升级过程的具体实例分析

例如有两个线程A和B，它们要竞争同一个锁。开始时，该锁是偏向锁状态，线程A首先获取到了这个偏向锁，然后线程B也试图获取这个锁，这时偏向锁就会升级为轻量级锁，线程A会被挂起。然后线程B开始自旋等待，试图获取轻量级锁，如果自旋等待成功，那么线程B就获取到了轻量级锁；如果自旋等待失败，那么轻量级锁就会升级为重量级锁，线程B会进入阻塞状态，等待锁释放。

Java代码示例0
这段代码的运行先后顺序能够模拟出锁的升级过程。首先，线程1获取到偏向锁；然后，线程2尝试获取锁，这会导致偏向锁升级为轻量级锁；最后，线程3尝试获取锁，这会导致轻量级锁升级为重量级锁。

偏向锁和轻量级锁的升级过程是在Java HotSpot VM中的实现，不同的虚拟机实现可能会有所不同。代码中的sleep方法只是为了模拟锁的升级过程，真实的锁升级过程是在JVM内部进行的。

public class LockUpgradeDemo {
    private static Object lock = new Object();
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 线程1获取偏向锁
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
        
        // 确保线程1获取偏向锁
        Thread.sleep(100);
        
        // 线程2尝试获取锁会导致偏向锁升级为轻量级锁
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
        
        // 确保线程2开始运行
        Thread.sleep(100);
        
        // 线程3尝试获取锁会导致轻量级锁升级为重量级锁
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }
}

4. Java中的锁优化

1. 锁优化的方法

1. 减少锁的持有时间：只在必要的时候持有锁，尽量缩短锁的持有时间，从而减少线程阻塞的可能性。

2. 减少锁的粒度：使用更细粒度的锁，例如，如果只有一个线程会访问一个对象的某个字段，那么就不需要对整个对象加锁。

3. 锁分离：如果一个类有多个独立的操作，那么可以为每个操作使用不同的锁，这样就可以避免不必要的同步。

4. 锁粗化：如果一个线程在一段时间内会多次获取和释放同一个锁，那么JVM可能会尝试将这些操作合并为一次，这就是锁粗化。

5. 锁消除：如果JVM检测到一段代码中的锁操作是不必要的，那么可能会消除这个锁操作。

6. 使用无锁数据结构：例如，Java的java.util.concurrent包中提供了许多无锁数据结构，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等。

7. 使用读写锁：如果一个数据结构的读操作比写操作更频繁，那么使用读写锁可以提高性能。

8. 使用偏向锁和轻量级锁：JVM在1.6之后引入了偏向锁和轻量级锁，用于优化无竞争的同步代码，可以有效减少无必要的重量级锁操作。

我们本章节主要了解核心的两种锁消除和锁粗化

2. 锁消除

什么是锁消除

  锁消除是Java中的一种锁优化技术。优化后的代码可以避免因为竞争锁而导致的线程阻塞，从而提高系统的运行性能。

锁消除的原理:

锁消除的主要原理是在编译阶段，通过一种叫做逃逸分析的技术，分析对象的作用域，发现一些在多线程环境下不可能存在共享资源竞争的情况，从而消除不必要的同步措施。

举个例子，如果某个对象只在一个线程的作用域内使用，那么它就不可能被其他线程访问到，因此，这个对象上的synchronized关键字就没有任何实际的意义，可以被安全地删除。

锁消除的实例剖析：

public class LockElimination {
    public void append(String str1, String str2){
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(str1).append(str2);
        System.out.println(sb.toString());
    }
}

在这个例子中，StringBuffer是线程安全的，内部的append方法是加了synchronized关键字的。但是在append方法中，sb这个对象只会在当前线程中使用，其他线程无法访问到这个对象，因此sb对象上的synchronized关键字实际上是没有必要的。在运行时，JVM会自动消除这个锁，提高程序的性能。

3. 锁粗化

什么是锁粗化

锁粗化是Java中的另一种锁优化策略，主要用于减少线程获取和释放锁的次数。

锁粗化的原理:

锁粗化的基本思想是将多个连续的加锁、解锁操作合并为一次，将加锁的同步范围扩大到其外部。这样，可以减少同步的次数，提高性能。当然，锁粗化的前提是，必须保证扩大后的同步代码块的执行不会影响到程序的并行度。

锁粗化的实例剖析：

我们举个栗子

public class LockCoarsening {
    private StringBuffer sb = new StringBuffer();

    public void append(String str){
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            sb.append(str);
        }
    }
}

在这个例子中，每次调用append方法时，都会连续进行10000次加锁和解锁操作。这种情况下，JVM会自动进行锁粗化，将这10000次加锁操作合并为一次，将锁的范围扩大到整个append方法。这样做可以显著减少锁的竞争，提高程序的性能。

5. 参考文档

1. 《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》 - 周志明

2. https://www.baeldung.com/java-synchronized