java中锁的优化 -- JVM对synchronized的优化

java中锁的优化 -- JVM对synchronized的优化

	
1）锁消除
	概念：JVM在JIT编译(即时编译)时，通过对运行上下文的扫描，去除掉那些不可能发生共享资源竞争的锁，从而节省了线程请求这些锁的时间。

	举例：
		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
	概念：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，即将加锁的粒度放大。
	
	举例：在for循环里的加锁/解锁操作，一般需要放到for循环外。


3）使用偏向锁和轻量级锁

	说明：
		1)java6为了减少获取锁和释放锁带来的性能消耗，引入了偏向锁和轻量级锁。
		2)锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。
		3)锁的状态会随着竞争情况逐渐升级，并且只可以升级而不能降级。
		
	【偏向锁】

		1)背景：大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。
		
		2)概念：核心思想就是锁会偏向第一个获取它的线程，如果在接下来的执行过程中没有其它的线程获取该锁，则持有偏向锁的线程永远不需要同步。
		
		3)目的：偏向锁实际上是一种优化锁，其目的是为了减少数据在无竞争情况下的性能损耗。
		
		4)原理：
			1>当一个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。
			2>以后该线程在进入和退出同步块时就不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地判断一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。
		
		5)偏向锁的获取：
			1>访问Mark Word中偏向锁的标识位是否为1，如果是1，则确定为偏向锁。
				说明：
					[1]如果偏向锁的标识位为0，说明此时是处于无锁状态，则当前线程通过CAS操作尝试获取偏向锁，如果获取锁成功，则将Mark Word中的偏向线程ID设置为当前线程ID；并且将偏向标识位设为1。
					[2]如果偏向锁的标识位不为1，也不为0(此时偏向锁的标识位没有值)，说明发生了竞争，偏向锁已经膨胀为轻量级锁，这时使用CAS操作尝试获得锁。
					
			2>如果是偏向锁，则判断Mark Word中的偏向线程ID是否指向当前线程，如果偏向线程ID指向当前线程，则表明当前线程已经获取到了锁；
			
			3>如果偏向线程ID并未指向当前线程，则通过CAS操作尝试获取偏向锁，如果获取锁成功，则将Mark Word中的偏向线程ID设置为当前线程ID；
			
			4>如果CAS获取偏向锁失败，则表示有竞争。当到达全局安全点时(在这个时间点上没有正在执行的字节码)，获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码。
		
        6)偏向锁的释放：  
            1>当其它的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全局安全点(在这个时间点上没有正在执行的字节码)。 
			3>过程：
				首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态，
				如果线程还活着，说明此时发生了竞争，则偏向锁升级为轻量级锁，然后刚刚被暂停的线程会继续往下执行同步代码。
		
		7)优点：加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距

		8)缺点：如果线程间存在锁竞争，锁撤销会带来额外的消耗。
		
		9)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】  
		1)原理：
			1>当使用轻量级锁(锁标识位为00)时，线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈桢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(注:锁记录中的标识字段称为Displaced Mark Word)。
			
			2>将对象头中的MarkWord复制到栈桢中的锁记录中之后，虚拟机将尝试使用CAS将对象头中Mark Word替换为指向该线程虚拟机栈中锁记录的指针，此时如果没有线程占有锁或者没有线程竞争锁，则当前线程成功获取到锁，然后执行同步块中的代码。
			
			3>如果在获取到锁的线程执行同步代码的过程中，另一个线程也完成了栈桢中锁记录的创建，并且已经将对象头中的MarkWord复制到了自己的锁记录中，然后尝试使用CAS将对象头中的MarkWord修改为指向自己的锁记录的指针，但是由于之前获取到锁的线程已经将对象头中的MarkWord修改过了(并且现在还在执行同步体中的代码,即仍然持有着锁)，所以此时对象头中的MarkWord与当前线程锁记录中MarkWord的值不同，导致CAS操作失败，然后该线程就会不停地循环使用CAS操作试图将对象头中的MarkWord替换为自己锁记录中MarkWord的值，(当循环次数或循环时间达到上限时停止循环)如果在循环结束之前CAS操作成功，那么该线程就可以成功获取到锁，如果循环结束之后依然获取不到锁，则锁获取失败，对象头中的MarkWord会被修改为指向重量级锁的指针，然后这个获取锁失败的线程就会被挂起，阻塞了。
			
			4>当持有锁的那个线程执行完同步体之后，使用CAS操作将对象头中的MarkWord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MarkWord已被修改为指向重量级锁的指针，因此CAS操作失败，该线程会释放锁并唤起阻塞等待的线程，开始新一轮夺锁之争，而此时，轻量级锁已经膨胀为重量级锁，所有竞争失败的线程都会阻塞，而不是自旋。
  
            自旋锁：  
                1)所谓自旋锁，就是让没有获得锁的进程自己运行一段时间自循环(默认开启)，但是不挂起线程。  
                2)自旋的代价就是该线程会一直占用处理器如果锁占用的时间很短，自旋等待的效果很好，反之，自旋锁会消耗大量处理器资源。  
                3)因此，自旋的等待时间必须有一定限度，超过限度还没有获得锁，就要挂起线程。  

        优点：在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁带来的性能损耗。  
          
        缺点：竞争的线程如果始终得不到锁，自旋会消耗cpu。  
  
        应用：追求响应时间，同步块执行速度非常快。  
          
          
    【重量级锁】  
	
		说明：
			1)java6之前的synchronized属于重量级锁，效率低下，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(即在cpu分配的时间片还没有用完的情况下进行了上下文切换)。
			3)操作系统实现线程的上下文切换需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对较长的时间，时间成本相对较高。
			4)在互斥状态下，没有得到锁的线程会被挂起阻塞，而挂起线程和恢复线程的操作都需要从用户态转入内核态中完成。
	
		优点：线程竞争不使用自旋，不会消耗cpu。
		
		缺点：线程阻塞，响应时间缓慢。
		
		应用：追求吞吐量，同步块执行速度较长