快捷導(dǎo)航

淺談Java虛擬機(jī)對(duì)內(nèi)部鎖的四種優(yōu)化方式

更新時(shí)間：2017年10月12日 11:08:38 作者：博文視點(diǎn)

這篇文章主要介紹了淺談Java虛擬機(jī)對(duì)內(nèi)部鎖的四種優(yōu)化方式，小編覺得挺不錯(cuò)的，現(xiàn)在分享給大家，也給大家做個(gè)參考。一起跟隨小編過來看看吧

自Java 6/Java 7開始，Java虛擬機(jī)對(duì)內(nèi)部鎖的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了一些優(yōu)化。這些優(yōu)化主要包括鎖消除（Lock Elision）、鎖粗化（Lock Coarsening）、偏向鎖（Biased Locking）以及適應(yīng)性鎖（Adaptive Locking）。這些優(yōu)化僅在Java虛擬機(jī)server模式下起作用（即運(yùn)行Java程序時(shí)我們可能需要在命令行中指定Java虛擬機(jī)參數(shù)“-server”以開啟這些優(yōu)化）。

1 鎖消除

鎖消除（Lock Elision）是JIT編譯器對(duì)內(nèi)部鎖的具體實(shí)現(xiàn)所做的一種優(yōu)化。

鎖消除（Lock Elision）示意圖

在動(dòng)態(tài)編譯同步塊的時(shí)候，JIT編譯器可以借助一種被稱為逃逸分析（Escape Analysis）的技術(shù)來判斷同步塊所使用的鎖對(duì)象是否只能夠被一個(gè)線程訪問而沒有被發(fā)布到其他線程。如果同步塊所使用的鎖對(duì)象通過這種分析被證實(shí)只能夠被一個(gè)線程訪問，那么JIT編譯器在編譯這個(gè)同步塊的時(shí)候并不生成synchronized所表示的鎖的申請(qǐng)與釋放對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼，而僅生成原臨界區(qū)代碼對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼，這就造成了被動(dòng)態(tài)編譯的字節(jié)碼就像是不包含monitorenter（申請(qǐng)鎖）和monitorexit（釋放鎖）這兩個(gè)字節(jié)碼指令一樣，即消除了鎖的使用。這種編譯器優(yōu)化就被稱為鎖消除（Lock Elision），它使得特定情況下我們可以完全消除鎖的開銷。

Java標(biāo)準(zhǔn)庫中的有些類（比如StringBuffer）雖然是線程安全的，但是在實(shí)際使用中我們往往不在多個(gè)線程間共享這些類的實(shí)例。而這些類在實(shí)現(xiàn)線程安全的時(shí)候往往借助于內(nèi)部鎖。因此，這些類是鎖消除優(yōu)化的常見目標(biāo)。

清單12-1 可進(jìn)行鎖消除優(yōu)化的示例代碼

public class LockElisionExample {

 public static String toJSON(ProductInfo productInfo) {
  StringBuffer sbf = new StringBuffer();
  sbf.append("{\"productID\":\"").append(productInfo.productID);
  sbf.append("\",\"categoryID\":\"").append(productInfo.categoryID);
  sbf.append("\",\"rank\":").append(productInfo.rank);
  sbf.append(",\"inventory\":").append(productInfo.inventory);
  sbf.append('}');

  return sbf.toString();
 }
}

在上面例子中，JIT編譯器在編譯toJSON方法的時(shí)候會(huì)將其調(diào)用的StringBuffer.append/toString方法內(nèi)聯(lián)（Inline）到該方法之中，這相當(dāng)于把StringBuffer.append/toString方法的方法體中的指令復(fù)制到toJSON方法體之中。這里的StringBuffer實(shí)例sbf是一個(gè)局部變量，并且該變量所引用的對(duì)象并沒有被發(fā)布到其他線程，因此sbf引用的對(duì)象只能夠被sbf所在的方法（toJSON方法）的當(dāng)前執(zhí)行線程（一個(gè)線程）訪問。所以，JIT編譯器此時(shí)可以消除toJSON方法中從StringBuffer.append/toString方法的方法體復(fù)制的指令所使用的內(nèi)部鎖。在這個(gè)例子中，StringBuffer.append/toString方法本身所使用的鎖并不會(huì)被消除，因?yàn)橄到y(tǒng)中可能還有其他地方在使用StringBuffer，而這些代碼可能會(huì)共享StringBuffer實(shí)例。

鎖消除優(yōu)化所依賴的逃逸分析技術(shù)自Java SE 6u23起默認(rèn)是開啟的，但是鎖消除優(yōu)化是在Java 7開始引入的。

從上述例子可以看出，鎖消除優(yōu)化還可能需要以JIT編譯器的內(nèi)聯(lián)優(yōu)化為前提。而一個(gè)方法是否會(huì)被JIT編譯器內(nèi)聯(lián)取決于該方法的熱度以及該方法對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼的尺寸（Bytecode Size)。因此，鎖消除優(yōu)化能否被實(shí)施還取決于被調(diào)用的同步方法（或者帶同步塊的方法）是否能夠被內(nèi)聯(lián)。

鎖消除優(yōu)化告訴我們?cè)谠撌褂面i的情況下必須使用鎖，而不必過多在意鎖的開銷。開發(fā)人員應(yīng)該在代碼的邏輯層面考慮是否需要加鎖，而至于代碼運(yùn)行層面上某個(gè)鎖是否真的有必要使用則由JIT編譯器來決定。鎖消除優(yōu)化并不表示開發(fā)人員在編寫代碼的時(shí)候可以隨意使用內(nèi)部鎖（在不需要加鎖的情況下加鎖），因?yàn)殒i消除是JIT編譯器而不是javac所做的一種優(yōu)化，而一段代碼只有在其被執(zhí)行的頻率足夠大的情況下才有可能會(huì)被JIT編譯器優(yōu)化。也就是說在JIT編譯器優(yōu)化介入之前，只要源代碼中使用了內(nèi)部鎖，那么這個(gè)鎖的開銷就會(huì)存在。另外，JIT編譯器所執(zhí)行的內(nèi)聯(lián)優(yōu)化、逃逸分析以及鎖消除優(yōu)化本身都是有其開銷的。

在鎖消除的作用下，利用ThreadLocal將一個(gè)線程安全的對(duì)象（比如Random）作為一個(gè)線程特有對(duì)象來使用，不僅僅可以避免鎖的爭用，還可以徹底消除這些對(duì)象內(nèi)部所使用的鎖的開銷。

2 鎖粗化

鎖粗化（Lock Coarsening/Lock Merging）是JIT編譯器對(duì)內(nèi)部鎖的具體實(shí)現(xiàn)所做的一種優(yōu)化。

鎖粗化（Lock Coarsening）示意圖

對(duì)于相鄰的幾個(gè)同步塊，如果這些同步塊使用的是同一個(gè)鎖實(shí)例，那么JIT編譯器會(huì)將這些同步塊合并為一個(gè)大同步塊，從而避免了一個(gè)線程反復(fù)申請(qǐng)、釋放同一個(gè)鎖所導(dǎo)致的開銷。然而，鎖粗化可能導(dǎo)致一個(gè)線程持續(xù)持有一個(gè)鎖的時(shí)間變長，從而使得同步在該鎖之上的其他線程在申請(qǐng)鎖時(shí)的等待時(shí)間變長。例如上圖中，第1個(gè)同步塊結(jié)束和第2個(gè)同步塊開始之間的時(shí)間間隙中，其他線程本來是有機(jī)會(huì)獲得monitorX的，但是經(jīng)過鎖粗化之后由于臨界區(qū)的長度變長，這些線程在申請(qǐng)monitorX時(shí)所需的等待時(shí)間也相應(yīng)變長了。因此，鎖粗化不會(huì)被應(yīng)用到循環(huán)體內(nèi)的相鄰?fù)綁K。

相鄰的兩個(gè)同步塊之間如果存在其他語句，也不一定就會(huì)阻礙JIT編譯器執(zhí)行鎖粗化優(yōu)化，這是因?yàn)镴IT編譯器可能在執(zhí)行鎖粗化優(yōu)化前將這些語句挪到（即指令重排序）后一個(gè)同步塊的臨界區(qū)之中（當(dāng)然，JIT編譯器并不會(huì)將臨界區(qū)內(nèi)的代碼挪到臨界區(qū)之外）。

實(shí)際上，我們寫的代碼中可能很少會(huì)出現(xiàn)上圖中那種連續(xù)的同步塊。這種同一個(gè)鎖實(shí)例引導(dǎo)的相鄰?fù)綁K往往是JIT編譯器編譯之后形成的。

例如，在下面的例子中

清單12-2 可進(jìn)行鎖粗化優(yōu)化的示例代碼

public class LockCoarseningExample {
 private final Random rnd = new Random();

 public void simulate() {
  int iq1 = randomIQ();
  int iq2 = randomIQ();
  int iq3 = randomIQ();
  act(iq1, iq2, iq3);
 }

 private void act(int... n) {
  // ...
 }

 // 返回隨機(jī)的智商值
 public int randomIQ() {
  // 人類智商的標(biāo)準(zhǔn)差是15，平均值是100
  return (int) Math.round(rnd.nextGaussian() * 15 + 100);
 }
 // ...
}

simulate方法連續(xù)調(diào)用randomIQ方法來生成3個(gè)符合正態(tài)分布（高斯分布）的隨機(jī)智商（IQ）。在simulate方法被執(zhí)行得足夠頻繁的情況下，JIT編譯器可能對(duì)該方法執(zhí)行一系優(yōu)化：首先，JIT編譯器可能將randomIQ方法內(nèi)聯(lián)（inline）到simulate方法中，這相當(dāng)于把randomIQ方法體中的指令復(fù)制到simulate方法之中。在此基礎(chǔ)上，randomIQ方法中的rnd.nextGaussian()調(diào)用也可能被內(nèi)聯(lián)，這相當(dāng)于把Random.nextGaussian()方法體中的指令復(fù)制到simulate方法之中。Random.nextGaussian()是一個(gè)同步方法，由于Random實(shí)例rnd可能被多個(gè)線程共享（因?yàn)閟imulate方法可能被多個(gè)線程執(zhí)行），因此JIT編譯器無法對(duì)Random.nextGaussian()方法本身執(zhí)行鎖消除優(yōu)化，這使得被內(nèi)聯(lián)到simulate方法中的Random.nextGaussian()方法體相當(dāng)于一個(gè)由rnd引導(dǎo)的同步塊。經(jīng)過上述優(yōu)化之后，JIT編譯器便會(huì)發(fā)現(xiàn)simulate方法中存在3個(gè)相鄰的由rnd（Random實(shí)例）引導(dǎo)的同步塊，于是鎖粗化優(yōu)化便“粉墨登場(chǎng)”了。

鎖粗化默認(rèn)是開啟的。如果要關(guān)閉這個(gè)特性，我們可以在Java程序的啟動(dòng)命令行中添加虛擬機(jī)參數(shù)“-XX:-EliminateLocks”（開啟則可以使用虛擬機(jī)參數(shù)“-XX:+EliminateLocks”）。

3 偏向鎖

偏向鎖（Biased Locking）是Java虛擬機(jī)對(duì)鎖的實(shí)現(xiàn)所做的一種優(yōu)化。這種優(yōu)化基于這樣的觀測(cè)結(jié)果（Observation）：大多數(shù)鎖并沒有被爭用（Contented），并且這些鎖在其整個(gè)生命周期內(nèi)至多只會(huì)被一個(gè)線程持有。然而，Java虛擬機(jī)在實(shí)現(xiàn)monitorenter字節(jié)碼（申請(qǐng)鎖）和monitorexit字節(jié)碼（釋放鎖）時(shí)需要借助一個(gè)原子操作（CAS操作），這個(gè)操作代價(jià)相對(duì)來說比較昂貴。因此，Java虛擬機(jī)會(huì)為每個(gè)對(duì)象維護(hù)一個(gè)偏好（Bias），即一個(gè)對(duì)象對(duì)應(yīng)的內(nèi)部鎖第1次被一個(gè)線程獲得，那么這個(gè)線程就會(huì)被記錄為該對(duì)象的偏好線程（Biased Thread）。這個(gè)線程后續(xù)無論是再次申請(qǐng)?jiān)撴i還是釋放該鎖，都無須借助原先（指未實(shí)施偏向鎖優(yōu)化前）昂貴的原子操作，從而減少了鎖的申請(qǐng)與釋放的開銷。

然而，一個(gè)鎖沒有被爭用并不代表僅僅只有一個(gè)線程訪問該鎖，當(dāng)一個(gè)對(duì)象的偏好線程以外的其他線程申請(qǐng)?jiān)搶?duì)象的內(nèi)部鎖時(shí)，Java虛擬機(jī)需要收回（Revoke）該對(duì)象對(duì)原偏好線程的“偏好”并重新設(shè)置該對(duì)象的偏好線程。這個(gè)偏好收回和重新分配過程的代價(jià)也是比較昂貴的，因此如果程序運(yùn)行過程中存在比較多的鎖爭用的情況，那么這種偏好收回和重新分配的代價(jià)便會(huì)被放大。有鑒于此，偏向鎖優(yōu)化只適合于存在相當(dāng)大一部分鎖并沒有被爭用的系統(tǒng)之中。如果系統(tǒng)中存在大量被爭用的鎖而沒有被爭用的鎖僅占極小的部分，那么我們可以考慮關(guān)閉偏向鎖優(yōu)化。

偏向鎖優(yōu)化默認(rèn)是開啟的。要關(guān)閉偏向鎖優(yōu)化，我們可以在Java程序的啟動(dòng)命令行中添加虛擬機(jī)參數(shù)“-XX:-UseBiasedLocking”（開啟偏向鎖優(yōu)化可以使用虛擬機(jī)參數(shù)“-XX:+UseBiasedLocking”）。

4 適應(yīng)性鎖

適應(yīng)性鎖（Adaptive Locking，也被稱為 Adaptive Spinning ）是JIT編譯器對(duì)內(nèi)部鎖實(shí)現(xiàn)所做的一種優(yōu)化。

存在鎖爭用的情況下，一個(gè)線程申請(qǐng)一個(gè)鎖的時(shí)候如果這個(gè)鎖恰好被其他線程持有，那么這個(gè)線程就需要等待該鎖被其持有線程釋放。實(shí)現(xiàn)這種等待的一種保守方法——將這個(gè)線程暫停（線程的生命周期狀態(tài)變?yōu)榉荝unnable狀態(tài)）。由于暫停線程會(huì)導(dǎo)致上下文切換，因此對(duì)于一個(gè)具體鎖實(shí)例來說，這種實(shí)現(xiàn)策略比較適合于系統(tǒng)中絕大多數(shù)線程對(duì)該鎖的持有時(shí)間較長的場(chǎng)景，這樣才能夠抵消上下文切換的開銷。另外一種實(shí)現(xiàn)方法就是采用忙等（Busy Wait）。所謂忙等相當(dāng)于如下代碼所示的一個(gè)循環(huán)體為空的循環(huán)語句：

// 當(dāng)鎖被其他線程持有時(shí)一直循環(huán) 
while (lockIsHeldByOtherThread){}

可見，忙等是通過反復(fù)執(zhí)行空操作（什么也不做）直到所需的條件成立為止而實(shí)現(xiàn)等待的。這種策略的好處是不會(huì)導(dǎo)致上下文切換，缺點(diǎn)是比較耗費(fèi)處理器資源——如果所需的條件在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)未能成立，那么忙等的循環(huán)就會(huì)一直被執(zhí)行。因此，對(duì)于一個(gè)具體的鎖實(shí)例來說，忙等策略比較適合于絕大多數(shù)線程對(duì)該鎖的持有時(shí)間較短的場(chǎng)景，這樣能夠避免過多的處理器時(shí)間開銷。

事實(shí)上，Java虛擬機(jī)也不是非要在上述兩種實(shí)現(xiàn)策略之中擇其一 ——它可以綜合使用上述兩種策略。對(duì)于一個(gè)具體的鎖實(shí)例，Java虛擬機(jī)會(huì)根據(jù)其運(yùn)行過程中收集到的信息來判斷這個(gè)鎖是屬于被線程持有時(shí)間“較長”的還是“較短”的。對(duì)于被線程持有時(shí)間“較長”的鎖，Java虛擬機(jī)會(huì)選用暫停等待策略；而對(duì)于被線程持有時(shí)間“較短”的鎖，Java虛擬機(jī)會(huì)選用忙等等待策略。Java虛擬機(jī)也可能先采用忙等等待策略，在忙等失敗的情況下再采用暫停等待策略。Java虛擬機(jī)的這種優(yōu)化就被稱為適應(yīng)性鎖（Adaptive Locking），這種優(yōu)化同樣也需要JIT編譯器介入。

適應(yīng)性鎖優(yōu)化可以是以具體的一個(gè)鎖實(shí)例為基礎(chǔ)的。也就是說，Java虛擬機(jī)可能對(duì)一個(gè)鎖實(shí)例采用忙等等待策略，而對(duì)另外一個(gè)鎖實(shí)例采用暫停等待策略。

從適應(yīng)性鎖優(yōu)化可以看出，內(nèi)部鎖的使用并不一定會(huì)導(dǎo)致上下文切換，這就是我們說鎖與上下文切換時(shí)均說鎖“可能”導(dǎo)致上下文切換的原因。

本文選自《Java多線程編程實(shí)戰(zhàn)指南（核心篇）》。