java自旋鎖和JVM對(duì)鎖的優(yōu)化詳解

更新時(shí)間：2022年09月22日 16:55:31 作者：會(huì)飛的湯姆貓

這篇文章主要為大家介紹了java自旋鎖和JVM對(duì)鎖的優(yōu)化示例詳解，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進(jìn)步，早日升職加薪

背景

先上圖

由此可見(jiàn)，非自旋鎖如果拿不到鎖會(huì)把線程阻塞，直到被喚醒；

自旋鎖拿不到鎖會(huì)一直嘗試

為什么要這樣？

好處

阻塞和喚醒線程都是需要高昂的開(kāi)銷的，如果同步代碼塊中的內(nèi)容不復(fù)雜，那么可能轉(zhuǎn)換線程帶來(lái)的開(kāi)銷比實(shí)際業(yè)務(wù)代碼執(zhí)行的開(kāi)銷還要大。

在很多場(chǎng)景下，可能我們的同步代碼塊的內(nèi)容并不多，所以需要的執(zhí)行時(shí)間也很短，如果我們僅僅為了這點(diǎn)時(shí)間就去切換線程狀態(tài)，那么其實(shí)不如讓線程不切換狀態(tài)，而是讓它自旋地嘗試獲取鎖，等待其他線程釋放鎖，有時(shí)我只需要稍等一下，就可以避免上下文切換等開(kāi)銷，提高了效率。

用一句話總結(jié)自旋鎖的好處，那就是自旋鎖用循環(huán)去不停地嘗試獲取鎖，讓線程始終處于 Runnable 狀態(tài)，節(jié)省了線程狀態(tài)切換帶來(lái)的開(kāi)銷。

AtomicLong的實(shí)現(xiàn)

getAndIncrement方法

public final long getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, 1L);
}

public final long getAndAddLong(Object o, long offset, long delta) {
    long v;
    do {
        v = getLongVolatile(o, offset);
        //如果修改過(guò)程中遇到其他線程競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致沒(méi)修改成功，死循環(huán)，直到修改成功為止
    } while (!compareAndSwapLong(o, offset, v, v + delta));
    return v;
}

實(shí)驗(yàn)

package com.reflect;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
class ReentrantSpinLock {
    private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>();
    private int count = 0;
    public void lock() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        if (t == owner.get()) {
            ++count;
            return;
        }
        while (!owner.compareAndSet(null, t)) {
            System.out.println("自旋了");
        }
    }
    public void unlock() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        if (t == owner.get()) {
            if (count > 0) {
                --count;
            } else {
                owner.set(null);
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        ReentrantSpinLock spinLock = new ReentrantSpinLock();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "開(kāi)始嘗試獲 取自旋鎖");
                spinLock.lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "獲取到 了自旋鎖");
                    Thread.sleep(4000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    spinLock.unlock();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "釋放了 了自旋鎖");
                }
            }
        };
        Thread thread1 = new Thread(runnable);
        Thread thread2 = new Thread(runnable);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

很多"自旋了"，說(shuō)明自旋期間CPU依然在不停運(yùn)轉(zhuǎn)

缺點(diǎn)

雖然避免了線程切換的開(kāi)銷，但是在避免線程切換開(kāi)銷的同時(shí)帶來(lái)新的開(kāi)銷：不停嘗試獲取鎖，如果這個(gè)鎖一直不能被釋放那么這種嘗試知識(shí)無(wú)用的嘗試，浪費(fèi)處理器資源，就是說(shuō)一開(kāi)始自旋鎖開(kāi)銷低于線程切換，但是隨著時(shí)間增加，這種開(kāi)銷后期甚至超過(guò)線程切換的開(kāi)銷，得不償失

適用場(chǎng)景

并發(fā)不是特別高的場(chǎng)景
臨界區(qū)比較短小的情況，利用避免線程切換提高效率

如果臨界區(qū)很大，線程拿到鎖很久才釋放，那自旋會(huì)一直占用CPU但無(wú)法拿到鎖，浪費(fèi)資源

JVM對(duì)鎖做了哪些優(yōu)化？

相比于 JDK 1.5，在 JDK 1.6 中 HotSopt 虛擬機(jī)對(duì) synchronized 內(nèi)置鎖的性能進(jìn)行了很多優(yōu)化，包括自適應(yīng)的自旋、鎖消除、鎖粗化、偏向鎖、輕量級(jí)鎖等。有了這些優(yōu)化措施后，synchronized 鎖的性能得到了大幅提高，下面我們分別介紹這些具體的優(yōu)化。

自適應(yīng)的自旋鎖

在 JDK 1.6 中引入了自適應(yīng)的自旋鎖來(lái)解決長(zhǎng)時(shí)間自旋的問(wèn)題。自適應(yīng)意味著自旋的時(shí)間不再固定，而是會(huì)根據(jù)最近自旋嘗試的成功率、失敗率，以及當(dāng)前鎖的擁有者的狀態(tài)等多種因素來(lái)共同決定。自旋的持續(xù)時(shí)間是變化的，自旋鎖變 “聰明” 了。比如，如果最近嘗試自旋獲取某一把鎖成功了，那么下一次可能還會(huì)繼續(xù)使用自旋，并且允許自旋更長(zhǎng)的時(shí)間；但是如果最近自旋獲取某一把鎖失敗了，那么可能會(huì)省略掉自旋的過(guò)程，以便減少無(wú)用的自旋，提高效率。

鎖消除

public class Person {
    private String name;
    private int age;
    public Person(String personName, int personAge) {
        name = personName;
        age = personAge;
    }
    public Person(Person p) {
        this(p.getName(), p.getAge());
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public int getAge() {
        return age;
    }
}
class Employee {
    private Person person;
    public Person getPerson() {
        return new Person(person);
    }
    public void printEmployeeDetail(Employee emp) {
        Person person = emp.getPerson();
        System.out.println("Employee's name: " + person.getName() + "; age: " + person.getAge());
    }
}

在這段代碼中，我們看到下方的 Employee 類中的 getPerson() 方法，這個(gè)方法中使用了類里面的person 對(duì)象，并且新建一個(gè)和它屬性完全相同的新的 person 對(duì)象，目的是防止方法調(diào)用者修改原來(lái)的 person 對(duì)象。但是在這個(gè)例子中，其實(shí)是沒(méi)有任何必要新建對(duì)象的，因?yàn)槲覀兊膒rintEmployeeDetail() 方法沒(méi)有對(duì)這個(gè)對(duì)象做出任何的修改，僅僅是打印，既然如此，我們其實(shí)可以直接打印最開(kāi)始的 person 對(duì)象，而無(wú)須新建一個(gè)新的。

如果編譯器可以確定最開(kāi)始的 person 對(duì)象不會(huì)被修改的話，它可能會(huì)優(yōu)化并且消除這個(gè)新建 person的過(guò)程。根據(jù)這樣的思想，接下來(lái)我們就來(lái)舉一個(gè)鎖消除的例子，，經(jīng)過(guò)逃逸分析之后，如果發(fā)現(xiàn)某些對(duì)象不可能被其他線程訪問(wèn)到，那么就可以把它們當(dāng)成棧上數(shù)據(jù)，棧上數(shù)據(jù)由于只有本線程可以訪問(wèn)，自然是線程安全的，也就無(wú)需加鎖，所以會(huì)把這樣的鎖給自動(dòng)去除掉。

例如，我們的 StringBuffffer 的 append 方法如下所示：

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

從代碼中可以看出，這個(gè)方法是被 synchronized 修飾的同步方法，因?yàn)樗赡軙?huì)被多個(gè)線程同時(shí)使用。

但是在大多數(shù)情況下，它只會(huì)在一個(gè)線程內(nèi)被使用，如果編譯器能確定這個(gè) StringBuffffer 對(duì)象只會(huì)在一個(gè)線程內(nèi)被使用，就代表肯定是線程安全的，那么我們的編譯器便會(huì)做出優(yōu)化，把對(duì)應(yīng)的synchronized 給消除，省去加鎖和解鎖的操作，以便增加整體的效率。

鎖粗化

釋放了鎖，緊接著什么都沒(méi)做，又重新獲取鎖

public void lockCoarsening() { 
    synchronized (this) { 
    } 
    synchronized (this) { 
    } 
    synchronized (this) { 
    } 
}

那么其實(shí)這種釋放和重新獲取鎖是完全沒(méi)有必要的，如果我們把同步區(qū)域擴(kuò)大，也就是只在最開(kāi)始加一次鎖，并且在最后直接解鎖，那么就可以把中間這些無(wú)意義的解鎖和加鎖的過(guò)程消除，相當(dāng)于是把幾個(gè)synchronized 塊合并為一個(gè)較大的同步塊。這樣做的好處在于在線程執(zhí)行這些代碼時(shí)，就無(wú)須頻繁申請(qǐng)與釋放鎖了，這樣就減少了性能開(kāi)銷。

不過(guò)，我們這樣做也有一個(gè)副作用，那就是我們會(huì)讓同步區(qū)域變大。如果在循環(huán)中我們也這樣做，如代碼所示：

for (int i = 0; i < 1000; i++) { 
    synchronized (this) { 
    } 
}

也就是我們?cè)诘谝淮窝h(huán)的開(kāi)始，就開(kāi)始擴(kuò)大同步區(qū)域并持有鎖，直到最后一次循環(huán)結(jié)束，才結(jié)束同步代碼塊釋放鎖的話，這就會(huì)導(dǎo)致其他線程長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法獲得鎖。所以，這里的鎖粗化不適用于循環(huán)的場(chǎng)景，僅適用于非循環(huán)的場(chǎng)景。

鎖粗化功能是默認(rèn)打開(kāi)的，用 -XX:-EliminateLocks可以關(guān)閉該功能

偏向鎖/ 輕量級(jí)鎖/ 重量級(jí)鎖

這三種鎖是特指 synchronized 鎖的狀態(tài)，通過(guò)在對(duì)象頭中的 mark word 來(lái)表明鎖的狀態(tài)

偏向鎖

對(duì)于偏向鎖而言，它的思想是如果自始至終，對(duì)于這把鎖都不存在競(jìng)爭(zhēng)，那么其實(shí)就沒(méi)必要上鎖，只要打個(gè)標(biāo)記就行了。一個(gè)對(duì)象在被初始化后，如果還沒(méi)有任何線程來(lái)獲取它的鎖時(shí)，它就是可偏向的，當(dāng)有第一個(gè)線程來(lái)訪問(wèn)它嘗試獲取鎖的時(shí)候，它就記錄下來(lái)這個(gè)線程，如果后面嘗試獲取鎖的線程正是這個(gè)偏向鎖的擁有者，就可以直接獲取鎖，開(kāi)銷很小。

輕量級(jí)鎖

JVM 的開(kāi)發(fā)者發(fā)現(xiàn)在很多情況下，synchronized 中的代碼塊是被多個(gè)線程交替執(zhí)行的，也就是說(shuō)，并不存在實(shí)際的競(jìng)爭(zhēng)，或者是只有短時(shí)間的鎖競(jìng)爭(zhēng)，用 CAS 就可以解決。這種情況下，重量級(jí)鎖是沒(méi)必要的。輕量級(jí)鎖指當(dāng)鎖原來(lái)是偏向鎖的時(shí)候，被另一個(gè)線程所訪問(wèn)，說(shuō)明存在競(jìng)爭(zhēng)，那么偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖，線程會(huì)通過(guò)自旋的方式嘗試獲取鎖，不會(huì)阻塞

重量級(jí)鎖

這種鎖利用操作系統(tǒng)的同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)，所以開(kāi)銷比較大。當(dāng)多個(gè)線程直接有實(shí)際競(jìng)爭(zhēng)，并且鎖競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間比較長(zhǎng)的時(shí)候，此時(shí)偏向鎖和輕量級(jí)鎖都不能滿足需求，鎖就會(huì)膨脹為重量級(jí)鎖。重量級(jí)鎖會(huì)讓其他申請(qǐng)卻拿不到鎖的線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)。