java中鎖的優化方法

這篇文章主要講解了“java中鎖的優化方法”，文中的講解內容簡單清晰，易于學習與理解，下面請大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來研究和學習“java中鎖的優化方法”吧！

1）鎖消除

概念：JVM在JIT編譯(即時編譯)時，通過對運行上下文的掃描，去除掉那些不可能發生共享資源競爭的鎖，從而節省了線程請求這些鎖的時間。

舉例：
	StringBuffer的append方法是一個同步方法，如果StringBuffer類型的變量是一個局部變量，則該變量就不會被其它線程所使用，即對局部變量的操作是不會發生線程不安全的問題。
	在這種情景下，JVM會在JIT編譯時自動將append方法上的鎖去掉。

2）鎖粗化

概念：將多個連續的加鎖、解鎖操作連接在一起，擴展成一個范圍更大的鎖，即將加鎖的粒度放大。

舉例：在for循環里的加鎖/解鎖操作，一般需要放到for循環外。

3）使用偏向鎖和輕量級鎖

說明：
	1)java6為了減少獲取鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，引入了偏向鎖和輕量級鎖。
	2)鎖一共有4種狀態，級別從低到高依次是：無鎖狀態、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。
	3)鎖的狀態會隨著競爭情況逐漸升級，并且只可以升級而不能降級。
	
【偏向鎖】

	1)背景：大多數情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一線程多次獲得，為了讓線程獲得鎖的代價更低而引入了偏向鎖。
	
	2)概念：核心思想就是鎖會偏向第一個獲取它的線程，如果在接下來的執行過程中沒有其它的線程獲取該鎖，則持有偏向鎖的線程永遠不需要同步。
	
	3)目的：偏向鎖實際上是一種優化鎖，其目的是為了減少數據在無競爭情況下的性能損耗。
	
	4)原理：
		1>當一個線程訪問同步塊并獲取鎖時，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲鎖偏向的線程ID。
		2>以后該線程在進入和退出同步塊時就不需要進行CAS操作來加鎖和解鎖，只需簡單地判斷一下對象頭的Mark Word里是否存儲著指向當前線程的偏向鎖。
	
	5)偏向鎖的獲取：
		1>訪問Mark Word中偏向鎖的標識位是否為1，如果是1，則確定為偏向鎖。
			說明：
				[1]如果偏向鎖的標識位為0，說明此時是處于無鎖狀態，則當前線程通過CAS操作嘗試獲取偏向鎖，如果獲取鎖成功，則將Mark Word中的偏向線程ID設置為當前線程ID；并且將偏向標識位設為1。
				[2]如果偏向鎖的標識位不為1，也不為0(此時偏向鎖的標識位沒有值)，說明發生了競爭，偏向鎖已經膨脹為輕量級鎖，這時使用CAS操作嘗試獲得鎖。
				
		2>如果是偏向鎖，則判斷Mark Word中的偏向線程ID是否指向當前線程，如果偏向線程ID指向當前線程，則表明當前線程已經獲取到了鎖；
		
		3>如果偏向線程ID并未指向當前線程，則通過CAS操作嘗試獲取偏向鎖，如果獲取鎖成功，則將Mark Word中的偏向線程ID設置為當前線程ID；
		
		4>如果CAS獲取偏向鎖失敗，則表示有競爭。當到達全局安全點時(在這個時間點上沒有正在執行的字節碼)，獲得偏向鎖的線程被掛起，偏向鎖升級為輕量級鎖，然后被阻塞在安全點的線程繼續往下執行同步代碼。
	
    6)偏向鎖的釋放：  
        1>當其它的線程嘗試獲取偏向鎖時，持有偏向鎖的線程才會釋放偏向鎖。  
        2>釋放偏向鎖需要等待全局安全點(在這個時間點上沒有正在執行的字節碼)。 
		3>過程：
			首先暫停擁有偏向鎖的線程，然后檢查持有偏向鎖的線程是否活著，如果線程不處于活動狀態，則將對象頭設置成無鎖狀態，
			如果線程還活著，說明此時發生了競爭，則偏向鎖升級為輕量級鎖，然后剛剛被暫停的線程會繼續往下執行同步代碼。
	
	7)優點：加鎖和解鎖不需要額外的消耗，和執行非同步方法相比僅存在納秒級的差距

	8)缺點：如果線程間存在鎖競爭，鎖撤銷會帶來額外的消耗。
	
	9)說明：
		1)偏向鎖默認在應用程序啟動幾秒鐘之后才激活。
		2)可以通過設置 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 來關閉延遲。
		3)可以通過設置 -XX:-UseBiasedLocking=false 來關閉偏向鎖，程序默認會進入輕量級鎖狀態。(如果應用程序里的鎖大多情況下處于競爭狀態，則應該將偏向鎖關閉)
	

【輕量級鎖】  
	1)原理：
		1>當使用輕量級鎖(鎖標識位為00)時，線程在執行同步塊之前，JVM會先在當前線程的棧楨中創建用于存儲鎖記錄的空間，并將對象頭中的Mark Word復制到鎖記錄中(注:鎖記錄中的標識字段稱為Displaced Mark Word)。
		
		2>將對象頭中的MarkWord復制到棧楨中的鎖記錄中之后，虛擬機將嘗試使用CAS將對象頭中Mark Word替換為指向該線程虛擬機棧中鎖記錄的指針，此時如果沒有線程占有鎖或者沒有線程競爭鎖，則當前線程成功獲取到鎖，然后執行同步塊中的代碼。
		
		3>如果在獲取到鎖的線程執行同步代碼的過程中，另一個線程也完成了棧楨中鎖記錄的創建，并且已經將對象頭中的MarkWord復制到了自己的鎖記錄中，然后嘗試使用CAS將對象頭中的MarkWord修改為指向自己的鎖記錄的指針，但是由于之前獲取到鎖的線程已經將對象頭中的MarkWord修改過了(并且現在還在執行同步體中的代碼,即仍然持有著鎖)，所以此時對象頭中的MarkWord與當前線程鎖記錄中MarkWord的值不同，導致CAS操作失敗，然后該線程就會不停地循環使用CAS操作試圖將對象頭中的MarkWord替換為自己鎖記錄中MarkWord的值，(當循環次數或循環時間達到上限時停止循環)如果在循環結束之前CAS操作成功，那么該線程就可以成功獲取到鎖，如果循環結束之后依然獲取不到鎖，則鎖獲取失敗，對象頭中的MarkWord會被修改為指向重量級鎖的指針，然后這個獲取鎖失敗的線程就會被掛起，阻塞了。
		
		4>當持有鎖的那個線程執行完同步體之后，使用CAS操作將對象頭中的MarkWord還原為最初的狀態時(將對象頭中指向鎖記錄的指針替換為Displaced Mark Word )，發現MarkWord已被修改為指向重量級鎖的指針，因此CAS操作失敗，該線程會釋放鎖并喚起阻塞等待的線程，開始新一輪奪鎖之爭，而此時，輕量級鎖已經膨脹為重量級鎖，所有競爭失敗的線程都會阻塞，而不是自旋。

        自旋鎖：  
            1)所謂自旋鎖，就是讓沒有獲得鎖的進程自己運行一段時間自循環(默認開啟)，但是不掛起線程。  
            2)自旋的代價就是該線程會一直占用處理器如果鎖占用的時間很短，自旋等待的效果很好，反之，自旋鎖會消耗大量處理器資源。  
            3)因此，自旋的等待時間必須有一定限度，超過限度還沒有獲得鎖，就要掛起線程。  

    優點：在沒有多線程競爭的前提下，減少傳統的重量級鎖帶來的性能損耗。  
      
    缺點：競爭的線程如果始終得不到鎖，自旋會消耗cpu。  

    應用：追求響應時間，同步塊執行速度非常快。  
      
      
【重量級鎖】  

	說明：
		1)java6之前的synchronized屬于重量級鎖，效率低下，因為monitor是依賴操作系統的Mutex Lock(互斥量)來實現的。
		2)多線程競爭鎖時，會引起線程的上下文切換(即在cpu分配的時間片還沒有用完的情況下進行了上下文切換)。
		3)操作系統實現線程的上下文切換需要從用戶態轉換到核心態，這個狀態之間的轉換需要相對較長的時間，時間成本相對較高。
		4)在互斥狀態下，沒有得到鎖的線程會被掛起阻塞，而掛起線程和恢復線程的操作都需要從用戶態轉入內核態中完成。

	優點：線程競爭不使用自旋，不會消耗cpu。
	
	缺點：線程阻塞，響應時間緩慢。
	
	應用：追求吞吐量，同步塊執行速度較長

感謝各位的閱讀，以上就是“java中鎖的優化方法”的內容了，經過本文的學習后，相信大家對java中鎖的優化方法這一問題有了更深刻的體會，具體使用情況還需要大家實踐驗證。這里是億速云，小編將為大家推送更多相關知識點的文章，歡迎關注！