【JVM 之锁优化笔记】

自旋锁与自适应自旋锁的消除（等到 逃逸分析技术 搞明白后来写）锁粗化轻量级锁

轻量级锁的加锁工作流程 偏向锁

偏向锁的加锁流程 QA

高效并发是从JDK 5升级到JDK 6后一项重要的改进项，HotSpot虚拟机开发团队在这个版本上花 费了大量的资源去实现各种锁优化技术，如 适应性自旋(Adaptive Spinning)、锁消除(Lock Elimination)、锁膨胀(Lock Coarsening)、轻量级锁(Lightweight Locking)、偏向锁(Biased Locking)等，这些技术都是为了在线程之间更高效地共享数据及解决竞争问题，从而提高程序的执行 效率。

自旋锁可以设置等待时间和自旋次数，但是无论是默认值还是用户指定的自旋次数，对整个Java虚拟机中所有的锁来说都是相同的。所以在 JDK 6中对自旋锁的优化，引入了自适应的自旋。所谓的自适应自旋锁就是：以历史数据来作为参考，进而判断自旋时间与次数。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚 刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成 功，进而允许自旋等待持续相对更长的时间，比如持续100次忙循环。另一方面，如果对于某个锁，自旋很少成功获得过锁，那在以后要获取这个锁时将有可能直接省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资 源。有了自适应自旋，随着程序运行时间的增长及性能监控信息的不断完善，虚拟机对程序锁的状况 预测就会越来越精准，虚拟机就会变得越来越“聪明”了。

指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码要求同步，但是对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(第11章已经讲解过逃逸 分析技术)，如果判断到一段代码中，在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，同步加锁自然就无须再进行。

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少，即使存在锁竞争，等 待锁的线程也能尽可能快地拿到锁。

大多数情况下，上面的原则都是正确的，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之中的，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损耗。因此在出现这种情况之后，编译器会帮我们进行锁粒度的粗化！

轻量级锁是JDK 6时加入的新型锁机制，它名字中的“轻量级”是相对于使用操作系统互斥量来实 现的传统锁而言的，因此传统的锁机制就被称为“重量级”锁。不过，需要强调一点，轻量级锁并不是用来代替重量级锁的，它设计的初衷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。

对象头的设计思路
对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到Java虚拟机的空间使用效 率，Mark Word被设计成一个非固定的动态数据结构，以便在极小的空间内存储尽量多的信息。它会 根据对象的状态复用自己的存储空间。例如在32位的HotSpot虚拟机中，对象未被锁定的状态下， Mark Word的32个比特空间里的25个比特将用于存储对象哈希码，4个比特用于存储对象分代年龄，2 个比特用于存储锁标志位，还有1个比特固定为0(这表示未进入偏向模式)。对象除了未被锁定的正 常状态外，还有轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向等几种不同状态，这些状态下对象头的存 储内容如表13-1所示。

CAS 见：面试必问的CAS，你懂了吗？

在代码即将进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定(锁标志位为“ 01”状态)，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的拷贝(官方为这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced Mark Word)，这时候线程堆栈与对象头的状态如图13- 3所示。
然后，虚拟机将使用CAS操作尝试把对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。如果这个更新动作成功了，即代表该线程拥有了这个对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位(Mark Word的 最后两个比特)将转变为“ 00”，表示此对象处于轻量级锁定状态。这时候线程堆栈与对象头的状态如 图13-4所示。
如果这个更新操作失败了，那就意味着至少存在一条线程与当前线程竞争获取该对象的锁。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，那直接进入同步块继续执行就可以了，否则就说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果出现两条以上的线程争用同一个锁的情况，那轻量级锁就不再有效，必须要膨胀为重量级锁，锁标志 的状态值变为“10”，此时Mark Word中存储的就是指向重量级锁(互斥量)的指针，后面等待锁的线程也必须进入阻塞状态。

解锁过程也同样是通过CAS操作来进行的，如果对象的 Mark Word仍然指向线程的锁记录，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。假如能够成功替换，那整个同步过程就顺利完成了;如果替换失败，则说明有 其他线程尝试过获取该锁，就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程(不太明白这是为什么？)。

偏向锁是JDK 6中引入的一项锁优化措施，它的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的情况下把整个同步都消除掉，连CAS操作都不去做了。

基础思路就是：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，该锁一直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。

当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机将会把对象头中的标志位设置为“01”、把偏向模式设置为“1”，表示进入偏向模式。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(例如加锁、解锁及对Mark Word的更新操作 等)。一旦出现另外一个线程去尝试获取这个锁的情况，偏向模式就马上宣告结束。根据锁对象目前是 否处于被锁定的状态决定是否撤销偏向(偏向模式设置为“ 0”)，撤销后标志位恢复到未锁定(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照上面介绍的轻量级锁那样去 执行。偏向锁、轻量级锁的状态转化及对象Mark Word的关系如图13-5所示。

偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能，但它同样是一个带有效益权衡(Trade Off)性质 的优化，也就是说它并非总是对程序运行有利。如果程序中大多数的锁都总是被多个不同的线程访问，那偏向模式就是多余的。在具体问题具体分析的前提下，有时候使用参数-XX:- UseBiasedLocking来禁止偏向锁优化反而可以提升性能。

为什么必须锁会膨胀？且必须膨胀？(TODO：待回答)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”这一经验法则。如果没有竞争，轻量级锁便通过CAS操作成功避免了使用互斥量的开销;但如果确 实存在锁竞争，除了互斥量的本身开销外，还额外发生了CAS操作的开销。因此在有竞争的情况下， 轻量级锁反而会比传统的重量级锁更慢。