1 起源

  • 起源：《Java虚拟机 JVM故障诊断与性能优化》——葛一鸣
  • 章节：第八章

本文是第八章的一些笔记整顿。

2 概述

本文次要讲述了JVM在运行层面和代码层面的锁优化策略，最初介绍了实现无锁的其中一种办法CAS。

3 对象头

JVM中每个对象都有一个对象头，用于保留对象的零碎信息，64bit JVM的对象头构造如下图所示：

其中：

  • Mark Word由64bit组成，一个性能数据区，能够寄存对象的哈希、对象年龄、锁的指针等信息
  • KClass Word在没有开启指针压缩的状况下，64bit组成，然而64bit JVM会默认开启指针压缩（+UseCompressedOops），所以会压缩到32bit

另外，从图中能够看到，不同的锁对应于不同的Mark Word：

  • 无锁：25bit空+31bit哈希值+1bit空+4bit分代年龄+1bit是否偏差锁+2bit锁标记
  • 偏差锁：54bit持有偏差锁的线程ID+2bit偏差工夫戳+1bit空+4bit分代年龄+1bit是否偏差锁+2bit锁标记
  • 轻量锁：62bit栈中锁记录指针+2bit锁标记
  • 分量锁：62bit重量级锁指针+2bit锁标记

JVM如何辨别锁次要看两个字段：biased_lock与lock，对应关系如下：

  • biased_lock=0 lock=00：轻量级锁
  • biased_lock=0 lock=01：无锁
  • biased_lock=0 lock=10：重量级锁
  • biased_lock=0 lock=11：GC标记
  • biased_lock=1 lock=01：偏差锁

4 锁的运行时优化

很多时候JVM都会对线程竞争的操作在JVM层面进行优化，尽可能解决竞争问题，也会试图打消不必要的竞争，实现的办法包含：

  • 偏差锁
  • 轻量级锁
  • 重量级锁
  • 自旋锁
  • 锁打消

4.1 偏差锁（JDK15默认敞开）

4.1.1 简介

偏差锁是JDK 1.6提出的一种锁优化形式，核心思想是，如果线程没有竞争，则勾销曾经获得锁的线程同步操作，也就是说，某个线程获取到锁后，锁就会进入偏差模式，当线程再次申请该锁时，无需再次进行相干的同步操作，从而节俭操作工夫。而在此期间如果有其余线程进行了锁申请，则锁退出偏差模式。

开启偏差锁的参数是-XX:+UseBiasedLocking，处于偏差锁时，Mark Word会记录取得锁的线程（54bit），通过该信息能够判断以后线程是否持有偏差锁。

留神JDK15后默认敞开了偏差锁以及禁用了相干选项，能够参考JDK-8231264。

4.1.2 加锁流程

偏差锁的加锁过程如下：

  • 第一步：拜访Mark Word中的biased_lock是否设置为1，lock是否设置为01，确认为可偏差状态，如果biased_lock为0，则是无锁状态，间接通过CAS操作竞争锁，如果失败，执行第四步
  • 第二步：如果为可偏差状态，测试线程ID是否指向以后线程，如果是，达到第五步，否则达到第三步
  • 第三步：如果线程ID没有指向以后线程，通过CAS操作竞争锁，如果胜利，将Mark Word中的线程ID设置为以后线程ID，而后执行第五步，如果失败，执行第四步
  • 第四步：如果CAS获取偏差锁失败，示意有竞争，开始锁撤销
  • 第五步：执行同步代码

4.1.3 例子

上面是一个简略的例子：

public class Main {    private static List<Integer> list = new Vector<>();    public static void main(String[] args){        long start = System.nanoTime();        for (int i = 0; i < 1_0000_0000; i++) {            list.add(i);        }        long end = System.nanoTime();        System.out.println(end-start);    }}

Vector的add是一个synchronized办法，应用如下参数测试：

-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 # 偏差锁启动工夫，设置为0示意立刻启动-XX:+UseBiasedLocking # 开启偏差锁

输入如下：

1664109780

而将偏差锁敞开：

-XX:BiasedLockingStartupDelay=0-XX:-UseBiasedLocking

输入如下：

2505048191

能够看到偏差锁还是对系统性能有肯定帮忙的，然而须要留神偏差锁在锁竞争强烈的场合没有太强的优化成果，因为大量的竞争会导致持有锁的线程不停地切换，锁很难始终放弃在偏差模式，这样不仅仅不能优化性能，反而因为频繁切换而导致性能降落，因而竞争强烈的场合能够尝试应用-XX:-UseBiasedLocking禁用偏差锁。

4.2 轻量级锁

4.2.1 简介

如果偏差锁失败，那么JVM会让线程申请轻量级锁。轻量级锁在外部应用一个BasicObjectLock的对象实现，该对象外部由：

  • 一个BasicLock对象
  • 一个持有该锁的Java对象指针

组成。BasicObjectLock对象搁置在Java栈的栈帧中，在BasicLock对象还会保护一个叫displaced_header的字段，用于备份对象头部的Mark Word。

4.2.2 加锁流程

  • 第一步：通过Mark Word判断是否无锁（biased_lock是否为0且lock为01），如果是无锁，会创立一个叫锁记录（Lock Record）的空间，用于存储以后Mark Word的拷贝
  • 第二步：将对象头的Mark Word复制到锁记录中
  • 第三步：拷贝胜利后，应用CAS操作尝试将锁对象Mark Word更新为指向锁记录的指针，并将线程栈帧中的锁记录的owner指向Object的Mark Word
  • 第四步：如果操作胜利，那么就胜利领有了锁
  • 第五步：如果操作失败，JVM会查看Mark Word是否指向以后线程的栈帧，如果是就阐明以后线程曾经领有了这个对象的锁，就能够间接进入同步块继续执行，否则会让以后线程尝试自旋获取锁，自旋达到肯定次数后如果还没有取得锁，那么会收缩为重量级锁

4.3 重量级锁

4.3.1 简介

当轻量级锁自旋肯定次数后还是无奈获取锁，就会收缩为重量级锁。相比起轻量级锁，Mak Word寄存的是指向锁记录的指针，重量级锁中的Mark Word寄存的是指向Object Monitor的指针，如下图所示：

（图源见文末）

因为锁记录是线程公有的，不能满足多线程都能拜访的需要，因而重量级锁中引入了能线程共享的ObjectMonitor。

4.3.2 加锁流程

首次尝试加锁时，会先CAS尝试批改ObjectMonitor的_owner字段，后果如下：

  • 第一种：锁没有其余线程占用，胜利获取锁
  • 第二种：锁被其余线程占用，则以后线程重入锁，获取胜利
  • 第三种：锁被锁记录占用，而锁记录是线程公有的，也就是属于以后线程的，这样就属于重入，重入次数为1
  • 第四种：都不满足，再次尝试加锁（调用EnterI()）

而再次尝试加锁的过程，是一个循环，一直尝试获取锁直到胜利为止，流程简述如下：

  • 屡次尝试获取锁
  • 获取失败把线程包装后放进阻塞队列
  • 再次尝试获取锁
  • 失败后将本人挂起
  • 被唤醒后持续尝试获取锁
  • 胜利则退出循环，否则持续

4.4 自旋锁

自旋锁能够使线程没有获得锁时不被挂起，而是去执行一个空循环（也就是所谓的自旋），在若干个空循环后如果能够获取锁，则继续执行，如果不能，挂起以后线程。

应用自旋锁后，线程被挂起的概率绝对减小，线程执行的连贯性绝对增强，因而对于锁竞争不是很强烈、锁占用并发工夫很短的并发线程具备肯定的积极意义，然而，对于竞争强烈且锁占用工夫长的并发线程，自旋期待后仍无奈获取锁，还是会被挂起，节约了自旋工夫。

在JDK1.6中提供了-XX:+UseSpinning参数开启自旋锁，然而JDK1.7后，自旋锁参数被勾销，JVM不再反对由用户配置自旋锁，自旋锁总是被执行，次数由JVM调整。

4.5 锁打消

4.5.1 简介

锁打消就是把不必要的锁给去掉，比方，在一些单线程环境下应用一些线程平安的类，比方StringBuffer，这样就能够基于逃逸剖析技术可打消这些不必要的锁，从而进步性能。

4.5.2 例子

public class Main {    private static final int CIRCLE = 200_0000;    public static void main(String[] args){        long start = System.nanoTime();        for (int i = 0; i < CIRCLE; i++) {            createStringBuffer("Test",String.valueOf(i));        }        long end = System.nanoTime();        System.out.println(end-start);    }    private static String createStringBuffer(String s1,String s2){        StringBuffer sb = new StringBuffer();        sb.append(s1);        sb.append(s2);        return sb.toString();    }}

参数：

-XX:+DoEscapeAnalysis-XX:-EliminateLocks-Xcomp-XX:-BackgroundCompilation-XX:BiasedLockingStartupDelay=0

输入：

260642198

而开启锁打消后：

-XX:+DoEscapeAnalysis-XX:+EliminateLocks-Xcomp-XX:-BackgroundCompilation-XX:BiasedLockingStartupDelay=0

输入如下：

253101105

能够看到还是有肯定性能晋升的，然而晋升不大。

5 锁的应用层优化

锁的应用层优化就是在代码层面对锁进行优化，办法包含：

  • 缩小持有工夫
  • 减小粒度
  • 锁拆散
  • 锁粗化

5.1 缩小持有工夫

缩小锁持有工夫就是尽可能减少某个锁的占用工夫，以缩小线程互斥工夫，比方：

public synchronized void method(){    A();    B();    C();}

如果只有B()是同步操作，那么能够优化为在必要时进行同步，也就是在执行B()的时候进行同步操作：

public void method(){    A();    synchronized(this){        B();    }    C();}

5.2 减小粒度

所谓的减小锁粒度，就是指放大锁定的对象范畴，从而减小锁抵触的可能性，进而进步零碎的并发能力。

减小粒度也是一种减弱多线程竞争的无效伎俩，比方典型的就是ConcurrentHashMap，在JDK1.7中的segment就是一个很好的例子。每次并发操作的时候只加锁某个特定的segment，从而进步并发性能。

5.3 锁拆散

锁拆散就是将一个独占锁分成多个锁，比方LinkedBlockingQueue。在take()和put()操作中，应用的并不是同一个锁，而是拆散成了一个takeLock和一个putLock：

private final ReentrantLock takeLock;private final ReentrantLock putLock;

初始化操作如下：

this.takeLock = new ReentrantLock();this.notEmpty = this.takeLock.newCondition();this.putLock = new ReentrantLock();

而take()和put()操作如下：

public E take() throws InterruptedException {    takeLock.lockInterruptibly();  //不能两个线程同时take    //...    try {        //...    } finally {        takeLock.unlock();    }    //...}public void put(E e) throws InterruptedException {    //...    putLock.lockInterruptibly();  //不能两个线程同时put    try {        //...    } finally {        putLock.unlock();    }    //...}

能够看到通过putLock以及takeLock两把锁实现了真正的取数据与写数据拆散

5.4 锁粗化

通常状况下，为了保障多线程的无效并发，会要求每个线程持有锁的工夫尽可能短，然而，如果对同一个锁不停申请，自身也会耗费资源，反而不利于性能优化，于是，在遇到一连串间断对同一个锁一直进行申请和开释的操作时，会把所有的锁操作整合成对锁的一次申请，缩小对锁的申请同步次数，这个过程就叫锁粗化，比方

public void method(){    synchronized(lock){        A();    }    synchronized(lock){        B();    }}

会被整合成如下模式：

public void method(){    synchronized(lock){        A();        B();    }}

而在循环内申请锁，比方：

for(int i=0;i<10;++i){    synchronized(lock){    }}

应将锁粗化为

synchronized(lock){    for(int i=0;i<10;++i){    }}

6 无锁：CAS

毫无疑问，为了保障多线程并发的平安，应用锁是一种最直观的形式，然而，锁的竞争有可能会称为瓶颈，因而，有没有不须要锁的形式去保证数据一致性呢？

答案是有的，就是这一大节介绍的配角：CAS。

CAS就是Compare And Swap的缩写，CAS蕴含三个参数，模式为CAS(V,E,N)，其中：

  • V示意内存地址值
  • E示意期望值
  • N示意新值

只有当V的值等于E的值时，才会把V设置为N，如果V的值和N的值不一样，那么示意曾经有其余线程做了更新，以后线程什么也不做，最初CAS返回以后V的值。

CAS的操作是抱着乐观的态度进行的，总认为本人能够胜利实现操作，当多个线程同时应用CAS操作同一个变量的时候，只会有一个胜出并胜利更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅被告知失败，并且容许再次尝试，当然也容许失败的线程放弃操作。

7 参考

  • CSDN-java对象头信息
  • JVM系列之:详解java object对象在heap中的构造
  • StackOverflow-What is in Java object header?
  • CSDN-Java 中锁是如何一步步收缩的（偏差锁、轻量级锁、重量级锁）
  • 简书-Java Synchronized 重量级锁原理深刻分析上(互斥篇)