JVM锁优化

渴望就奋力追寻 2020-03-23

锁优化

  自旋锁和自适应锁:

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从用户态转到核心态中去完成。这些操作给操作系统的并发性能带来了很大的压力。同时,在

很多应用上,共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间,为了这段时间去挂起和恢复线程并不值得。如果物理机器上有一个以上的处理器,能让两个或以上的线程同时并行

执行,我们就可以让后面请求锁的那个线程”稍等一下“,但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,为了让线程等待,我们只需要让线程执行一个

忙循环,即自旋,这项技术就是所谓的自旋锁。

自旋锁在1.6之后默认开启,自旋等待不能代替阻塞,虽然避免了线程切换的开销(挂起唤醒,用户态转核心态),但是还是会占用处理器的时间,因此如果锁被占用的时间

很短,那么自旋等待的效果就会非常好,如果锁占用的时间很长,那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源,带来性能浪费。因此自旋等待的时间要有一定的限度,如果自旋超

过了限定的次数仍然没有成功获得锁,那就应当用传统的方式去挂起线程了。自旋的次数默认是10次。

1.6引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的时间不再固定了,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。

锁消除:

锁消除是指在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。锁消除的主要判定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被其他线程访问到,那就可以把它们当作栈上数据对待,认为它们是线程私有的,同步加锁就无需进行。

锁粗化:

原则上,我们在编写代码的时候,总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小——只在共享数据的实际作用域中才进行同步,这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变

小(减少锁时间),如果存在锁竞争,那等待锁的线程也能尽快拿到锁。但是如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁,甚至加锁操作是出现在循环体中的,那即

使没有线程竞争,频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能消耗。如StringBuffer类的append()方法就是这种情况,每个append()方法都对同一个对象加锁,且append()

可能连续出现多次。

@Override
    public synchronized StringBuffer append(String str) {
        toStringCache = null;
        super.append(str);
        return this;
    }

如果虚拟机探测到有这样一串零碎的操作都对同一个对象加锁,将会把锁同步的范围扩展(粗化)到整个操作序列的外部,如多个append()的话就会扩展到第一个append()操作

之前直至最后一个append()操作之后,这样只需要加锁一次就可以了。

  轻量级锁:

1.6引入的新型锁机制,轻量级是相对使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的,传统的锁机制就称为重量级锁。轻量级锁并不能替代重量级锁,它的本意是在没有多线

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。

要理解轻量级锁以及偏向锁的原理和运作过程,必须了解JVM的对象(对象头部分)的内部布局。HotSpot JVM的对象头(Object Header)分为两部分信息,第一部分用

来存储对象自身的运行时数据,如哈希码(hashCode)、GC分代年龄、锁标志位等。官方称为Mark Word,它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。另外一部分用于存储指向方法

区对象类型的指针,如果是数组的话,还会有一个额外的部分用于存储数组的长度。

Mark Word对象头在不同状态下的标识位存储内容如下:

存储内容状态标志位
对象哈希码、分代年龄未锁定01
指定锁记录的指针轻量级锁定00
指向重量级锁的指针膨胀(重量级锁定)10
空,不需要记录记录信息GC标记11
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄可偏向01

轻量级锁的执行过程:在代码进入同步块的时候,如果此同步对象没有被锁定(锁标识位为01的时候),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拷贝,加了一个前缀Displaced,即Displaced Mark Word。然后虚拟机将使用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的锁标识位修改为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,如果是说明当前线程已经拥有了这个对象的锁,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,那轻量级锁就不再有效,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。

可以看到轻量级锁的加锁过程是通过CAS来实现的,同样,解锁过程也是通过CAS操作来进行的,如果对象的Mark Word仍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“对于绝大部分的锁,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CAS操作避免了使用互斥

量的开销,如果存在锁竞争,那么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,轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。

偏向锁:

1.6引入的一项锁优化,目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语,进一步提高程序的运行性能。如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥

量,那偏向锁就是在无竞争情况下把整个同步都消除掉,并且连CAS操作都不做了。

偏向锁的“偏”,就是偏心的“偏”,它的意思是这个锁会偏向于第一个获得它的线程,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将永

远不需要再进行同步。

如果虚拟机开启了偏向锁,1.6默认开启,那么当锁对象第一次被线程获取的时候,虚拟机会把对象头中的标志为设为01,即偏向模式。同时使用CAS操作把获取到这个锁的

线程的ID记录在对象的Mark Word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相关的同步块时,虚拟机都可以不再进行任何同步操作。当有另外一个线程

去尝试获取这个锁时,偏向模式宣告结束。根据锁对象目前是否出于被锁定的状态,撤销偏向(Revoke Bias)后恢复到未锁定(标志位为01)或轻量级锁定(标志位为00)的状

态,后续的同步操作就按轻量级锁的过程来执行。

偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能。但是它并不一定总是对程序有利,如果程序中大多数的锁总是被多个不同的线程访问,那么偏向模式就是多余的。

END

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