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 早期版本synchronized性能較低的原因

在早期版本中，synchronized是一種重量級(jí)鎖，其底層由Monitor實(shí)現(xiàn)，而Monitor又依賴于操作系統(tǒng)的Mutex Lock。線程獲取到鎖后，需要切換狀態(tài)，而操作系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)線程的切換時(shí)，需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)為核心態(tài)，這是一個(gè)非常耗時(shí)，非常重的操作。因此在之前，synchronized是一種重量級(jí)鎖。

JDK1.6之后對(duì)synchronized的優(yōu)化

現(xiàn)在的synchronized已經(jīng)沒(méi)有之前那么笨重了，在虛擬機(jī)層面，對(duì)synchronized做了較大的優(yōu)化，引入了自旋鎖、適應(yīng)性自旋鎖、鎖消除、鎖粗化，可以減少鎖操作的開(kāi)銷。

自旋鎖

有時(shí)候，獲取到鎖的線程執(zhí)行的操作耗時(shí)極短，為了這么點(diǎn)微不足道的時(shí)間，將接下來(lái)等待鎖的線程掛起非常的不值得。掛起線程的操作需要在核心態(tài)完成，從用戶態(tài)切換到核心態(tài)，耗時(shí)比較嚴(yán)重。

因此現(xiàn)在增加這么一樣操作，讓等待鎖的線程執(zhí)行忙循環(huán)等待，不停地去嘗試獲取鎖，像一種自旋的操作，故稱之為自旋鎖。

如果之前線程占有鎖的時(shí)間極短，那么自旋鎖的性能將非常的好。但若是占有鎖的時(shí)間較長(zhǎng)，那么自旋鎖將白白消耗CPU的資源，在自旋次數(shù)到了之后，將會(huì)被掛起。

在jdk1.4的時(shí)候，自旋鎖默認(rèn)關(guān)閉;jdk1.6之后，自旋鎖默認(rèn)開(kāi)啟，默認(rèn)自旋10次，當(dāng)然也可以使用PreBlockSpin來(lái)修改自旋次數(shù)。

自旋鎖的痛點(diǎn)在于：無(wú)法在不同場(chǎng)景中，確定出一個(gè)可靠的自旋次數(shù)。因此，衍生出來(lái)適應(yīng)性自旋鎖。

適應(yīng)性自旋鎖

在適應(yīng)性自旋鎖中，自旋的次數(shù)不再固定，一般由之前自旋的次數(shù)和鎖持有者的狀態(tài)決定。

如果在一個(gè)鎖對(duì)象上，之前的線程都能通過(guò)自旋來(lái)獲取到鎖，并且沒(méi)有超過(guò)自旋次數(shù)，那么虛擬機(jī)認(rèn)為，通過(guò)自旋獲取到鎖的概率很大，下一次會(huì)增加自旋的次數(shù)。相反的，如果之前很少有線程通過(guò)自旋獲取到鎖，那么虛擬機(jī)會(huì)減少自旋的次數(shù)，減少到一定次數(shù)后，甚至?xí)苯臃艞壸孕?jí)為重量級(jí)鎖。

可以看出，適應(yīng)性自旋鎖十分機(jī)智。

鎖消除

從字面意思上可以看出，這是一種直接去除鎖的方法，簡(jiǎn)單粗暴。

對(duì)于那些根本不可能存在鎖競(jìng)爭(zhēng)卻又包含鎖的情況，虛擬機(jī)會(huì)直接消除這個(gè)鎖，避免無(wú)意義的鎖請(qǐng)求。比如我在純單線程中對(duì)某個(gè)方法或者變量加鎖，或者調(diào)用內(nèi)部實(shí)現(xiàn)有鎖的對(duì)象(Vector、StringBuffer與HashTable等)，虛擬機(jī)會(huì)直接消除毫無(wú)意義的加鎖。

鎖粗化

在上一文中【多線程】淺說(shuō)Synchronized，我們談到了synchronized的應(yīng)用-雙重檢驗(yàn)鎖的優(yōu)化過(guò)程，強(qiáng)調(diào)將加鎖的范圍盡量限制得小一些，直到存在鎖競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)際區(qū)域才加鎖，這樣程序運(yùn)行更加高效。

但是，如果存在這樣的一種情況：反復(fù)的對(duì)同一個(gè)對(duì)象執(zhí)行加鎖解鎖的操作，也會(huì)導(dǎo)致CPU資源的過(guò)度消耗。

鎖粗化，就是將反復(fù)的加鎖操作粗化成一個(gè)范圍更大的鎖，這樣加鎖只有一次。

例如，在循環(huán)內(nèi)部，調(diào)用StringBuffer的append操作(關(guān)于StringBuffer，可以參考我的另外一篇文章【JAVA】String、StringBuilder、StringBuffer三者的區(qū)別)，每次append都需要加鎖，虛擬機(jī)檢測(cè)到這種情況后，首先會(huì)對(duì)append脫鎖，然后進(jìn)行鎖粗化，將鎖的范圍擴(kuò)大到循環(huán)外部。

鎖的狀態(tài)

鎖的狀態(tài)有以下幾種：

1. 無(wú)鎖狀態(tài)
2. 偏向鎖狀態(tài)
3. 輕量級(jí)鎖狀態(tài)
4. 重量級(jí)鎖狀態(tài)

其中，無(wú)鎖狀態(tài)對(duì)應(yīng)于鎖消除，Monitor對(duì)應(yīng)于重量級(jí)鎖，也就是1.6之前的synchronized。

偏向鎖

偏向鎖的核心要義就體現(xiàn)在“偏”字上，這個(gè)鎖偏向第一個(gè)獲取到它的線程。

在大部分情況下，不存在激烈的鎖競(jìng)爭(zhēng)，總是由同一個(gè)線程獲取到該鎖。那么為了減少同一個(gè)線程獲取鎖帶來(lái)的開(kāi)銷，就引入了偏向鎖。

如果一個(gè)線程不斷的獲取到了鎖，那么該鎖就進(jìn)入偏向鎖狀態(tài)。當(dāng)這個(gè)線程再次請(qǐng)求鎖時(shí)，無(wú)需做任何同步操作，直接獲取到鎖。

當(dāng)然，偏向鎖適用于基本無(wú)鎖競(jìng)爭(zhēng)的情況，當(dāng)鎖競(jìng)爭(zhēng)激烈時(shí)，偏向鎖就失去了作用，會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖。

輕量級(jí)鎖

在偏向鎖的狀態(tài)下，此時(shí)又出現(xiàn)了一個(gè)線程，與偏向線程競(jìng)爭(zhēng)該鎖，此時(shí)該鎖會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖。

舉個(gè)例子，比如創(chuàng)建一個(gè)線程1執(zhí)行同步print()方法打印奇數(shù)，這時(shí)候的鎖狀態(tài)為偏向鎖。此時(shí)，再創(chuàng)建一個(gè)線程2同樣執(zhí)行同步print()方法打印偶數(shù)，偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖。線程1打印某個(gè)奇數(shù)時(shí)，線程2并沒(méi)有被掛起，而是處于一種自旋狀態(tài)，這種自旋效率很高。可是，當(dāng)我再創(chuàng)建100個(gè)線程時(shí)，同樣執(zhí)行同步print()方法，自旋的效率將會(huì)變得十分低下，此時(shí)輕量級(jí)鎖會(huì)升級(jí)為重量級(jí)鎖，即使用Monitor來(lái)進(jìn)行同步。

鎖的升級(jí)

無(wú)鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖與重量級(jí)鎖，會(huì)隨著鎖競(jìng)爭(zhēng)的升級(jí)而升級(jí)。

從一開(kāi)始的偏向鎖，產(chǎn)生鎖競(jìng)爭(zhēng)后，升級(jí)為輕量級(jí)鎖，自旋失敗后，升級(jí)為重量級(jí)鎖，一般來(lái)說(shuō)，鎖的升級(jí)是單向的。