Synchronized輕量級鎖的加鎖和解鎖過程

本篇內容介紹了“Synchronized輕量級鎖的加鎖和解鎖過程”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

一、重量級鎖

　　上篇文章中向大家介紹了Synchronized的用法及其實現的原理。現在我們應該知道，Synchronized是通過對象內部的一個叫做監視器鎖（monitor）來實現的。但是監視器鎖本質又是依賴于底層的操作系統的Mutex Lock來實現的。而操作系統實現線程之間的切換這就需要從用戶態轉換到核心態，這個成本非常高，狀態之間的轉換需要相對比較長的時間，這就是為什么Synchronized效率低的原因。因此，這種依賴于操作系統Mutex Lock所實現的鎖我們稱之為“重量級鎖”。JDK中對Synchronized做的種種優化，其核心都是為了減少這種重量級鎖的使用。JDK1.6以后，為了減少獲得鎖和釋放鎖所帶來的性能消耗，提高性能，引入了“輕量級鎖”和“偏向鎖”。

二、輕量級鎖 

　　鎖的狀態總共有四種：無鎖狀態、偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖。隨著鎖的競爭，鎖可以從偏向鎖升級到輕量級鎖，再升級的重量級鎖（但是鎖的升級是單向的，也就是說只能從低到高升級，不會出現鎖的降級）。JDK 1.6中默認是開啟偏向鎖和輕量級鎖的，我們也可以通過-XX:-UseBiasedLocking來禁用偏向鎖。鎖的狀態保存在對象的頭文件中，以32位的JDK為例：

　　“輕量級”是相對于使用操作系統互斥量來實現的傳統鎖而言的。但是，首先需要強調一點的是，輕量級鎖并不是用來代替重量級鎖的，它的本意是在沒有多線程競爭的前提下，減少傳統的重量級鎖使用產生的性能消耗。在解釋輕量級鎖的執行過程之前，先明白一點，輕量級鎖所適應的場景是線程交替執行同步塊的情況，如果存在同一時間訪問同一鎖的情況，就會導致輕量級鎖膨脹為重量級鎖。

1、輕量級鎖的加鎖過程

　　（1）在代碼進入同步塊的時候，如果同步對象鎖狀態為無鎖狀態（鎖標志位為“01”狀態，是否為偏向鎖為“0”），虛擬機首先將在當前線程的棧幀中建立一個名為鎖記錄（Lock Record）的空間，用于存儲鎖對象目前的Mark Word的拷貝，官方稱之為 Displaced Mark Word。這時候線程堆棧與對象頭的狀態如圖2.1所示。

　　（2）拷貝對象頭中的Mark Word復制到鎖記錄中。

　　（3）拷貝成功后，虛擬機將使用CAS操作嘗試將對象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針，并將Lock record里的owner指針指向object mark word。如果更新成功，則執行步驟（3），否則執行步驟（4）。

　　（4）如果這個更新動作成功了，那么這個線程就擁有了該對象的鎖，并且對象Mark Word的鎖標志位設置為“00”，即表示此對象處于輕量級鎖定狀態，這時候線程堆棧與對象頭的狀態如圖2.2所示。

　　（5）如果這個更新操作失敗了，虛擬機首先會檢查對象的Mark Word是否指向當前線程的棧幀，如果是就說明當前線程已經擁有了這個對象的鎖，那就可以直接進入同步塊繼續執行。否則說明多個線程競爭鎖，輕量級鎖就要膨脹為重量級鎖，鎖標志的狀態值變為“10”，Mark Word中存儲的就是指向重量級鎖（互斥量）的指針，后面等待鎖的線程也要進入阻塞狀態。 而當前線程便嘗試使用自旋來獲取鎖，自旋就是為了不讓線程阻塞，而采用循環去獲取鎖的過程。

                     圖2.1 輕量級鎖CAS操作之前堆棧與對象的狀態

                                        圖 2.3三者的轉換圖

　　該圖主要是對上述內容的總結，如果對上述內容有較好的了解的話，該圖應該很容易看懂。

四、其他優化 

1、適應性自旋（Adaptive Spinning）：從輕量級鎖獲取的流程中我們知道，當線程在獲取輕量級鎖的過程中執行CAS操作失敗時，是要通過自旋來獲取重量級鎖的。問題在于，自旋是需要消耗CPU的，如果一直獲取不到鎖的話，那該線程就一直處在自旋狀態，白白浪費CPU資源。解決這個問題最簡單的辦法就是指定自旋的次數，例如讓其循環10次，如果還沒獲取到鎖就進入阻塞狀態。但是JDK采用了更聰明的方式——適應性自旋，簡單來說就是線程如果自旋成功了，則下次自旋的次數會更多，如果自旋失敗了，則自旋的次數就會減少。

2、鎖粗化（Lock Coarsening）：鎖粗化的概念應該比較好理解，就是將多次連接在一起的加鎖、解鎖操作合并為一次，將多個連續的鎖擴展成一個范圍更大的鎖。舉個例子：

1 package com.paddx.test.string;
 2 
 3 public class StringBufferTest {
 4     StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
 5 
 6     public void append(){
 7         stringBuffer.append("a");
 8         stringBuffer.append("b");
 9         stringBuffer.append("c");
10     }
11 }

　　這里每次調用stringBuffer.append方法都需要加鎖和解鎖，如果虛擬機檢測到有一系列連串的對同一個對象加鎖和解鎖操作，就會將其合并成一次范圍更大的加鎖和解鎖操作，即在第一次append方法時進行加鎖，最后一次append方法結束后進行解鎖。

3、鎖消除（Lock Elimination）：鎖消除即刪除不必要的加鎖操作。根據代碼逃逸技術，如果判斷到一段代碼中，堆上的數據不會逃逸出當前線程，那么可以認為這段代碼是線程安全的，不必要加鎖。看下面這段程序：

1 package com.paddx.test.concurrent;
 2 
 3 public class SynchronizedTest02 {
 4 
 5     public static void main(String[] args) {
 6         SynchronizedTest02 test02 = new SynchronizedTest02();
 7         //啟動預熱
 8         for (int i = 0; i < 10000; i++) {
 9             i++;
10         }
11         long start = System.currentTimeMillis();
12         for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
13             test02.append("abc", "def");
14         }
15         System.out.println("Time=">雖然StringBuffer的append是一個同步方法，但是這段程序中的StringBuffer屬于一個局部變量，并且不會從該方法中逃逸出去，所以其實這過程是線程安全的，可以將鎖消除。下面是我本地執行的結果：　　為了盡量減少其他因素的影響，這里禁用了偏向鎖（-XX:-UseBiasedLocking）。通過上面程序，可以看出消除鎖以后性能還是有比較大提升的。　　注：可能JDK各個版本之間執行的結果不盡相同，我這里采用的JDK版本為1.6。1：減少鎖持有時間          例如：對一個方法加鎖，不如對方法中需要同步的幾行代碼加鎖；    2：減小鎖粒度        例如：ConcurrentHashMap采取對segment加鎖而不是整個map加鎖，提高并發性；    3：鎖分離         根據同步操作的性質，把鎖劃分為的讀鎖和寫鎖，讀鎖之間不互斥，提高了并發性。 五、總結 　　本文重點介紹了JDk中采用輕量級鎖和偏向鎖等對Synchronized的優化，但是這兩種鎖也不是完全沒缺點的，比如競爭比較激烈的時候，不但無法提升效率，反而會降低效率，因為多了一個鎖升級的過程，這個時候就需要通過-XX:-UseBiasedLocking來禁用偏向鎖。下面是這幾種鎖的對比：鎖優點缺點適用場景偏向鎖加鎖和解鎖不需要額外的消耗，和執行非同步方法比僅存在納秒級的差距。如果線程間存在鎖競爭，會帶來額外的鎖撤銷的消耗。適用于只有一個線程訪問同步塊場景。輕量級鎖競爭的線程不會阻塞，提高了程序的響應速度。如果始終得不到鎖競爭的線程使用自旋會消耗CPU。追求響應時間。同步塊執行速度非常快。重量級鎖線程競爭不使用自旋，不會消耗CPU。線程阻塞，響應時間緩慢。追求吞吐量。同步塊執行速度較長。

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