java中鎖的優(yōu)化方法

這篇文章主要講解了“java中鎖的優(yōu)化方法”，文中的講解內(nèi)容簡(jiǎn)單清晰，易于學(xué)習(xí)與理解，下面請(qǐng)大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來(lái)研究和學(xué)習(xí)“java中鎖的優(yōu)化方法”吧！

1）鎖消除

概念：JVM在JIT編譯(即時(shí)編譯)時(shí)，通過(guò)對(duì)運(yùn)行上下文的掃描，去除掉那些不可能發(fā)生共享資源競(jìng)爭(zhēng)的鎖，從而節(jié)省了線程請(qǐng)求這些鎖的時(shí)間。

舉例：
	StringBuffer的append方法是一個(gè)同步方法，如果StringBuffer類(lèi)型的變量是一個(gè)局部變量，則該變量就不會(huì)被其它線程所使用，即對(duì)局部變量的操作是不會(huì)發(fā)生線程不安全的問(wèn)題。
	在這種情景下，JVM會(huì)在JIT編譯時(shí)自動(dòng)將append方法上的鎖去掉。

2）鎖粗化

概念：將多個(gè)連續(xù)的加鎖、解鎖操作連接在一起，擴(kuò)展成一個(gè)范圍更大的鎖，即將加鎖的粒度放大。

舉例：在for循環(huán)里的加鎖/解鎖操作，一般需要放到for循環(huán)外。

3）使用偏向鎖和輕量級(jí)鎖

說(shuō)明：
	1)java6為了減少獲取鎖和釋放鎖帶來(lái)的性能消耗，引入了偏向鎖和輕量級(jí)鎖。
	2)鎖一共有4種狀態(tài)，級(jí)別從低到高依次是：無(wú)鎖狀態(tài)、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖。
	3)鎖的狀態(tài)會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)情況逐漸升級(jí)，并且只可以升級(jí)而不能降級(jí)。
	
【偏向鎖】

	1)背景：大多數(shù)情況下，鎖不僅不存在多線程競(jìng)爭(zhēng)，而且總是由同一線程多次獲得，為了讓線程獲得鎖的代價(jià)更低而引入了偏向鎖。
	
	2)概念：核心思想就是鎖會(huì)偏向第一個(gè)獲取它的線程，如果在接下來(lái)的執(zhí)行過(guò)程中沒(méi)有其它的線程獲取該鎖，則持有偏向鎖的線程永遠(yuǎn)不需要同步。
	
	3)目的：偏向鎖實(shí)際上是一種優(yōu)化鎖，其目的是為了減少數(shù)據(jù)在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)情況下的性能損耗。
	
	4)原理：
		1>當(dāng)一個(gè)線程訪問(wèn)同步塊并獲取鎖時(shí)，會(huì)在對(duì)象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲(chǔ)鎖偏向的線程ID。
		2>以后該線程在進(jìn)入和退出同步塊時(shí)就不需要進(jìn)行CAS操作來(lái)加鎖和解鎖，只需簡(jiǎn)單地判斷一下對(duì)象頭的Mark Word里是否存儲(chǔ)著指向當(dāng)前線程的偏向鎖。
	
	5)偏向鎖的獲?。?
		1>訪問(wèn)Mark Word中偏向鎖的標(biāo)識(shí)位是否為1，如果是1，則確定為偏向鎖。
			說(shuō)明：
				[1]如果偏向鎖的標(biāo)識(shí)位為0，說(shuō)明此時(shí)是處于無(wú)鎖狀態(tài)，則當(dāng)前線程通過(guò)CAS操作嘗試獲取偏向鎖，如果獲取鎖成功，則將Mark Word中的偏向線程ID設(shè)置為當(dāng)前線程ID；并且將偏向標(biāo)識(shí)位設(shè)為1。
				[2]如果偏向鎖的標(biāo)識(shí)位不為1，也不為0(此時(shí)偏向鎖的標(biāo)識(shí)位沒(méi)有值)，說(shuō)明發(fā)生了競(jìng)爭(zhēng)，偏向鎖已經(jīng)膨脹為輕量級(jí)鎖，這時(shí)使用CAS操作嘗試獲得鎖。
				
		2>如果是偏向鎖，則判斷Mark Word中的偏向線程ID是否指向當(dāng)前線程，如果偏向線程ID指向當(dāng)前線程，則表明當(dāng)前線程已經(jīng)獲取到了鎖；
		
		3>如果偏向線程ID并未指向當(dāng)前線程，則通過(guò)CAS操作嘗試獲取偏向鎖，如果獲取鎖成功，則將Mark Word中的偏向線程ID設(shè)置為當(dāng)前線程ID；
		
		4>如果CAS獲取偏向鎖失敗，則表示有競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)全局安全點(diǎn)時(shí)(在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上沒(méi)有正在執(zhí)行的字節(jié)碼)，獲得偏向鎖的線程被掛起，偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖，然后被阻塞在安全點(diǎn)的線程繼續(xù)往下執(zhí)行同步代碼。
	
    6)偏向鎖的釋放：  
        1>當(dāng)其它的線程嘗試獲取偏向鎖時(shí)，持有偏向鎖的線程才會(huì)釋放偏向鎖。  
        2>釋放偏向鎖需要等待全局安全點(diǎn)(在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上沒(méi)有正在執(zhí)行的字節(jié)碼)。 
		3>過(guò)程：
			首先暫停擁有偏向鎖的線程，然后檢查持有偏向鎖的線程是否活著，如果線程不處于活動(dòng)狀態(tài)，則將對(duì)象頭設(shè)置成無(wú)鎖狀態(tài)，
			如果線程還活著，說(shuō)明此時(shí)發(fā)生了競(jìng)爭(zhēng)，則偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖，然后剛剛被暫停的線程會(huì)繼續(xù)往下執(zhí)行同步代碼。
	
	7)優(yōu)點(diǎn)：加鎖和解鎖不需要額外的消耗，和執(zhí)行非同步方法相比僅存在納秒級(jí)的差距

	8)缺點(diǎn)：如果線程間存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，鎖撤銷(xiāo)會(huì)帶來(lái)額外的消耗。
	
	9)說(shuō)明：
		1)偏向鎖默認(rèn)在應(yīng)用程序啟動(dòng)幾秒鐘之后才激活。
		2)可以通過(guò)設(shè)置 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 來(lái)關(guān)閉延遲。
		3)可以通過(guò)設(shè)置 -XX:-UseBiasedLocking=false 來(lái)關(guān)閉偏向鎖，程序默認(rèn)會(huì)進(jìn)入輕量級(jí)鎖狀態(tài)。(如果應(yīng)用程序里的鎖大多情況下處于競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，則應(yīng)該將偏向鎖關(guān)閉)
	

【輕量級(jí)鎖】  
	1)原理：
		1>當(dāng)使用輕量級(jí)鎖(鎖標(biāo)識(shí)位為00)時(shí)，線程在執(zhí)行同步塊之前，JVM會(huì)先在當(dāng)前線程的棧楨中創(chuàng)建用于存儲(chǔ)鎖記錄的空間，并將對(duì)象頭中的Mark Word復(fù)制到鎖記錄中(注:鎖記錄中的標(biāo)識(shí)字段稱(chēng)為Displaced Mark Word)。
		
		2>將對(duì)象頭中的MarkWord復(fù)制到棧楨中的鎖記錄中之后，虛擬機(jī)將嘗試使用CAS將對(duì)象頭中Mark Word替換為指向該線程虛擬機(jī)棧中鎖記錄的指針，此時(shí)如果沒(méi)有線程占有鎖或者沒(méi)有線程競(jìng)爭(zhēng)鎖，則當(dāng)前線程成功獲取到鎖，然后執(zhí)行同步塊中的代碼。
		
		3>如果在獲取到鎖的線程執(zhí)行同步代碼的過(guò)程中，另一個(gè)線程也完成了棧楨中鎖記錄的創(chuàng)建，并且已經(jīng)將對(duì)象頭中的MarkWord復(fù)制到了自己的鎖記錄中，然后嘗試使用CAS將對(duì)象頭中的MarkWord修改為指向自己的鎖記錄的指針，但是由于之前獲取到鎖的線程已經(jīng)將對(duì)象頭中的MarkWord修改過(guò)了(并且現(xiàn)在還在執(zhí)行同步體中的代碼,即仍然持有著鎖)，所以此時(shí)對(duì)象頭中的MarkWord與當(dāng)前線程鎖記錄中MarkWord的值不同，導(dǎo)致CAS操作失敗，然后該線程就會(huì)不停地循環(huán)使用CAS操作試圖將對(duì)象頭中的MarkWord替換為自己鎖記錄中MarkWord的值，(當(dāng)循環(huán)次數(shù)或循環(huán)時(shí)間達(dá)到上限時(shí)停止循環(huán))如果在循環(huán)結(jié)束之前CAS操作成功，那么該線程就可以成功獲取到鎖，如果循環(huán)結(jié)束之后依然獲取不到鎖，則鎖獲取失敗，對(duì)象頭中的MarkWord會(huì)被修改為指向重量級(jí)鎖的指針，然后這個(gè)獲取鎖失敗的線程就會(huì)被掛起，阻塞了。
		
		4>當(dāng)持有鎖的那個(gè)線程執(zhí)行完同步體之后，使用CAS操作將對(duì)象頭中的MarkWord還原為最初的狀態(tài)時(shí)(將對(duì)象頭中指向鎖記錄的指針替換為Displaced Mark Word )，發(fā)現(xiàn)MarkWord已被修改為指向重量級(jí)鎖的指針，因此CAS操作失敗，該線程會(huì)釋放鎖并喚起阻塞等待的線程，開(kāi)始新一輪奪鎖之爭(zhēng)，而此時(shí)，輕量級(jí)鎖已經(jīng)膨脹為重量級(jí)鎖，所有競(jìng)爭(zhēng)失敗的線程都會(huì)阻塞，而不是自旋。

        自旋鎖：  
            1)所謂自旋鎖，就是讓沒(méi)有獲得鎖的進(jìn)程自己運(yùn)行一段時(shí)間自循環(huán)(默認(rèn)開(kāi)啟)，但是不掛起線程。  
            2)自旋的代價(jià)就是該線程會(huì)一直占用處理器如果鎖占用的時(shí)間很短，自旋等待的效果很好，反之，自旋鎖會(huì)消耗大量處理器資源。  
            3)因此，自旋的等待時(shí)間必須有一定限度，超過(guò)限度還沒(méi)有獲得鎖，就要掛起線程。  

    優(yōu)點(diǎn)：在沒(méi)有多線程競(jìng)爭(zhēng)的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖帶來(lái)的性能損耗。  
      
    缺點(diǎn)：競(jìng)爭(zhēng)的線程如果始終得不到鎖，自旋會(huì)消耗cpu。  

    應(yīng)用：追求響應(yīng)時(shí)間，同步塊執(zhí)行速度非?？臁?nbsp; 
      
      
【重量級(jí)鎖】  

	說(shuō)明：
		1)java6之前的synchronized屬于重量級(jí)鎖，效率低下，因?yàn)閙onitor是依賴(lài)操作系統(tǒng)的Mutex Lock(互斥量)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
		2)多線程競(jìng)爭(zhēng)鎖時(shí)，會(huì)引起線程的上下文切換(即在cpu分配的時(shí)間片還沒(méi)有用完的情況下進(jìn)行了上下文切換)。
		3)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程的上下文切換需要從用戶(hù)態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間，時(shí)間成本相對(duì)較高。
		4)在互斥狀態(tài)下，沒(méi)有得到鎖的線程會(huì)被掛起阻塞，而掛起線程和恢復(fù)線程的操作都需要從用戶(hù)態(tài)轉(zhuǎn)入內(nèi)核態(tài)中完成。

	優(yōu)點(diǎn)：線程競(jìng)爭(zhēng)不使用自旋，不會(huì)消耗cpu。
	
	缺點(diǎn)：線程阻塞，響應(yīng)時(shí)間緩慢。
	
	應(yīng)用：追求吞吐量，同步塊執(zhí)行速度較長(zhǎng)

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