深入浅出 JVM 的锁优化案例

锁优化

适应性自旋(Adaptive Spinning)

线程阻塞的时候,让等待的线程不放弃 cpu 执行时间,而是执行一个自旋 (一般是空循环),这叫做自旋锁。

自旋等待本身虽然避免了线程切换的开销,但它是要占用处理器时间的,因此,如果锁被占用的时间很短,自旋等待的效果就非常好,反之,如果锁被占用的时间很长,那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源,带来性能上的浪费。

因此,自旋等待的时间必须要有一定的限度。如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁,就应当使用传统的方式去挂起线程了。自旋次数的默认值是 10 次,用户可以使用参数 -XX:PreBlockSpin 来更改。

JDK1.6 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。比如前一次自旋了 3 次就获得了一个锁,那么下一次虚拟机会允许他自旋更多次来获得这个锁。如果一个锁很少能通过自旋成功获得,那么之后再遇到这个情况就会省略自旋过程了。

锁消除(Lock Elimination)

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。一般根据逃逸分析的数据支持来作为判定依据。

锁粗化(Lock Coarsening)

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,这样是为了使需要同步的操作数量尽可能变小,如果存在锁竞争,那等待锁的线程也能尽快拿到锁。

但如果一系列操作频繁对同一个对象加锁解锁,或者加锁操作再循环体内,会耗费性能,这时虚拟机会扩大加锁范围。

轻量级锁(Lightweight Locking)

轻量级锁是 JDK 1.6 之中加入的新型锁机制。它的作用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。

HotSpot 虚拟机的对象头(Object Header)分为两部分信息,第一部分用于存储对象自身的运行时数据,这部分称为 Mark Word。还有一部分存储指向方法区对象类型数据的指针。

加锁

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(官方把这份拷贝加了一个 Displaced 前缀,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,那么这个线程就拥有了该对象的锁,并且对象 Mark Word 的锁标志位(Mark Word 的最后 2bit)将转变为“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,后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。

解锁

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过获取该锁,那就要在释放锁的同时,唤醒被挂起的线程。

性能

没有锁竞争时,轻量级锁用 CAS 操作替代互斥量的开销,性能较优。有锁竞争时,除了互斥量开销,还有 CAS 操作开销,所以性能较差。但是,一般情况下,在整个同步周期内都是不存在竞争的”,这是一个经验数据。

偏向锁(Biased Locking)

偏向锁也是 JDK1.6 中引入的锁优化,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 操作都不做了。

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,偏向模式结束。

偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能,但并不一定总是对程序运行有利。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。

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