锁的优化及建议

在高并发环境下，锁的竞争会导致程序的性能下降，为了最大程度降低这种副作用，在使用锁时需要遵循以下几点建议。

1、减小锁持有时间

在锁竞争过程中，单个线程对锁持有的时间与系统性能有直接关系，如果线程持有锁的时间过长，对锁的竞争就越激烈。因此应该尽可能的减少对某个锁的占用时间，减少线程间互斥的可能性。只在必要时进行同步，这样可以减少线程持有锁的时间，提供系统的吞吐量。

2、减小锁的粒度

减小锁粒度也是一种降低多线程竞争的有效手段，典型的使用场景是ConcurrentHashMap的实现。对于HashMap如果实现线程安全，最简单的就是对整个HashMap加锁，但这样的锁粒度太大且性能很差，如HashTable的实现。而ConcurrentHashMap在内部细分了若干个小的HashMap，称之为segment段，默认分为16个段。

如果需要在ConcurrentHashMap中增加一个新的项，并不是将整个HashMap加锁，而是根据hashCode得到该项应该被存放在哪个段中，然后对该段加锁，并完成put()操作。在并发下，如果多个线程同时进行put()，只要被加入的项不放在同一段中，则线程间便可以做到真正的并行。由于默认有16个段，若幸运的话ConcurrentHashMap可以同时接受16个线程同时插入，从而大大提高性能。

put()实现

put()实现

减小锁粒度会引起新的问题：当系统需要取得全局锁时，消耗的资源将会较多，如size()。put()很好的分离了锁，当访问ConcurrentHashMap的全局信息时，就需要同时获取所有段的锁才能顺利实施。

减小锁粒度是指缩小锁定对象的范围，从而减少锁冲突的可能性，进而提高系统的并发能力。

3、读写分离锁替换独占锁

在读多写少的场景下，读写锁可以有效提升系统的并发能力。如果系统在读写数据时只使用独占锁，那么读写、读读、写写操作之间均不能做到真正的并发，并且需要相互等待。而读操作并不会影响数据完整性和一致性，大部分情况下，应该允许多线程同时读，读写锁实现了此功能。

4、锁分离

读写锁根据读写操作功能的不同进行了有效的锁分离。根据分离思想也可以对独占锁进行分离，典型的实现是LinkedBlockingQueue。

LinkedBlockingQueue中的take()和put()方法分别实现了从队列中获取数据和往队列增加数据的功能。它们都对当前队列进行了数据修改操作，但由于是基于链表结构的，两个操作分别作用于队列的头和尾，理论上并不冲突。如果使用独占锁，则要求在两个操作进行时获得当前队列的独占锁，那么take()和put()就不能做到并发，它们会彼此等待对方释放锁资源。在JDK的实现中并没有采用这种方式，而是用两把不同的锁分离了take()和put()操作。

以上代码定义了takeLock和putLock，它们分别在take()和put()操作中使用，彼此相互独立，不存在锁竞争关系，只需要在take()和take()、put()和put()间分别对takeLock和putLock进行竞争，从而降低了锁竞争的可能性。

put()

take()

5、锁粗化

通常为了保证有效并发，会要求每个线程持有锁的时间尽量短，即在使用完公共资源后立即释放锁。这样等待在这个锁上的其他线程才能尽早的获得资源执行任务。但如果对同一个锁不停的请求、同步和释放，其本身也会消耗系统宝贵的资源。JVM在遇到一连串对同一锁不断请求和释放操作时，便会把所有的锁整合成对锁的一次请求，从而减少对锁的请求同步次数，这个操作叫锁的粗化。

性能优化就是根据运行时的真实情况对各个资源点进行权衡折中的过程。锁粗化的思想和减少锁的持有时间是相反的，在不同的场景下它们的效果并不相同。因此需要根据实际情况进行取舍权衡使用。

JVM中对锁的优化：

1）锁偏向

锁偏向是一种针对加锁操作的优化手段，核心思想是：如果一个线程获得了锁，则锁进入了偏向模式。当这个线程再次请求锁时，无须在做任何同步操作，这样可以节省大量申请锁的操作。对于很少有锁竞争的场景，偏向锁有较好的优化效果。而对于锁竞争激烈的场景，效果不佳。可以使用JVM参数开启偏向锁：-XX:+UseBiasedLocking。

2）轻量级锁

若偏向锁失败，JVM并不会立即挂起线程，转而使用轻量级锁。它简单的将对象头部作为指针，指向持有锁的线程堆栈内部，来判断一个线程是否持有对象锁。如果线程获取轻量级锁，在可以顺利进入临界区，如果失败，则表示其他线程抢先获取到了锁，那么当前线程的锁请求就会膨胀为重量级锁。

3）自旋锁

锁膨胀后为了避免线程真实的在操作系统层面挂起，JVM还会使用自旋锁。其思想是：它会假设在不久的将来，线程可以得到锁，JVM会让当前线程做几个空循环，在经历若干次循环后，如果可以得到锁，则顺利进入临界区，否则会真正的将线程挂起。

4）锁清除

锁清除是一种更彻底的锁优化，JIT编译时通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在的共享资源竞争的锁，通过锁清除，可以节省无意义的请求锁时间，比如：StringBuffer、Vector等。锁清除涉及到一项关键技术：逃逸分析，它观察某个变量释放会逃出某个作用域。若变量不会逃出某一作用域则内部的锁会被清除。逃逸分析必须在-server模式下进行，使用-XX:+DoEscapeAnalysis参数打开逃逸分析，使用-XX:+EliminateLocks打开锁清除。

--参考文献《实战Java高并发程序设计》