JVM中的锁优化原理

JVM为了提高性能，在内置锁上做了非常多的优化，理解偏向锁、轻量级锁、重量级锁要解决的问题，几种锁的分配和膨胀过程，有助于理解和优化基于锁的并发程序。

内置锁是JVM提供的最便捷的线程同步工具，在代码块和方法声明上添加synchronized关键字即可使用内置锁，使用内置锁可以简化并发模型，随着JVM的升级，不用修改代码，即可享受到JVM内置锁的优化成果。从简单的重量级锁，到逐渐膨胀的锁分配策略，使用了多种优化手段解决隐藏在内置锁下的基本问题。

重量级锁：

内置锁在Java中被抽象为监视器锁(monitor)，在JDK1.6之前，监视器锁可以认为直接对应底层操作系统中的互斥量(mutex),

这种同步方式的成本非常高，包括系统调用引起的内核态和用户态的切换，线程阻塞造成的线程切换，因此，这种锁被称为"重量级锁"。

自旋锁：

用户态和内核态切换不容易优化，通过自旋锁，可以减少线程阻塞造成的线程切换（挂起线程和恢复线程），如果锁的粒度小，那么锁的持有时间比较短，那么对于竞争这些锁而言，因为锁阻塞造成的线程切换的时间和锁的持有时间相当，减少线程阻塞造成的线程切换，能得到很大的性能提升。具体如下：

• 当前线程竞争锁失败时，打算阻塞自己
• 不直接阻塞自己，而是通过自旋一会（空等待）
• 在自旋的同时，重新竞争锁
• 如果在自旋结束前获得了锁，那么锁获取成功，否则，自旋结束后阻塞自己

如果在自旋的同时，需要竞争的锁被持有者释放了，那么当前线程不需要阻塞自己，从而减少了一次线程切换。我们可以通过-XX:-UseSpinning来关闭自旋锁的优化，-XX:PreBlockSpin参数修改默认的自旋次数。

自适应自旋锁：

自适应意味着自旋的时间不再固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间和锁的持有者状态来决定。

• 如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获取到锁，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，进而他将允许自旋等待持续更长的时间
• 相反的，如果对于某个锁，自旋很少成功获取过，那么在以后要获取这个锁时，将减少自旋时间甚至省略自旋过程。

自适应自旋解决的是"锁竞争时间不固定"的问题，自适应自旋假设不同的线程持有同一个锁的时间基本相当，竞争程度趋于稳定，因此，可以根据上一次的自旋时间和结果调整下一次的自旋的时间。

轻量级锁：

自旋锁的目标是减少线程切换的成本，如果锁竞争激烈，我们不得不依赖重量级锁，让竞争失败的线程阻塞，如果完全没有实际的锁竞争，那么申请重量级锁是浪费的，轻量级锁的目标是，减少无实际竞争的情况下，使用重量级锁产生的性能消耗，包括系统调用引起的内核态与用户态的切换，线程阻塞引起的线程切换。

轻量级锁时相对于重量级锁而言的，使用轻量级锁时，不需要申请互斥量，仅仅将Mark Word中部分字节CAS更新指向线程栈中的Lock Record，如果更新成功，那么轻量级锁获取成功，记录锁状态为轻量级锁，否则说明，已经有线程获取了轻量级锁，接下来膨胀为重量级锁。如果竞争激烈，那么轻量级锁很快膨胀为重量级锁，那么维持轻量级锁的过程就造成了浪费。

偏向锁：

如果没有实际的竞争，并且自始至终，使用锁的线程只有一个，维护轻量级锁都是浪费的，偏向锁的目标是，减少无竞争，并且只有一个线程使用锁的情况下，使用轻量级锁产生的性能消耗，轻量级锁每次申请和释放都至少需要一次CAS，但偏向锁只有初始化时，需要一次CAS。偏向锁假定将来只有第一个申请锁的线程使用锁，因此只需要在Mark Word的CAS记录owner，如果记录成功，则偏向锁获取成功，记录锁状态为偏向锁，以后当前线程等于owner,就可以零成本的直接获取锁，否则，说明存在锁竞争，膨胀为轻量级锁。可以通过-XX:-UseBiasedLocking禁止偏向锁优化。

偏向锁，轻量级锁，重量级锁适用于不同的并发场景：

• 偏向锁 无实际竞争，将来只有第一个申请锁的线程会使用锁
• 轻量级锁 无实际竞争，多个线程交替使用锁，允许短时间的锁竞争
• 重量级锁 有实际竞争，锁竞争时间长

下图为锁的分配和膨胀流程图：

同步的原理：

JVM规范规定，JVM是基于进入和退出Monitor对象来实现方法的同步和代码块的同步，代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现，monitorenter是编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit插入到方法的结束处或者异常处。

volatile实现的原理：

多线程编程中，Volatile用来保证共享变量的可见性，当一个线程修改这个共享变量时，另外的线程能读到这个修改的值。Java编程允许线程访问共享变量，为了确保共享变量被准确一致的更新，一个变量被声明为volatile，Java内存模型将保证所有的线程看到的这个变量的值是一致的。用volatile修饰的变量在进行写操作时，会执行lock指令，该指令在x86处理器上会将处理器缓存行的数据写回到系统内存，写回内存的操作引起其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。