一、重量級(jí)鎖

　　上篇文章中向大家介紹了Synchronized的用法及其實(shí)現(xiàn)的原理?，F(xiàn)在我們應(yīng)該知道，Synchronized是通過(guò)對(duì)象內(nèi)部的一個(gè)叫做監(jiān)視器鎖（monitor）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是監(jiān)視器鎖本質(zhì)又是依賴于底層的操作系統(tǒng)的Mutex Lock來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換這就需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個(gè)成本非常高，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對(duì)比較長(zhǎng)的時(shí)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(tǒng)Mutex Lock所實(shí)現(xiàn)的鎖我們稱之為“重量級(jí)鎖”。JDK中對(duì)Synchronized做的種種優(yōu)化，其核心都是為了減少這種重量級(jí)鎖的使用。JDK1.6以后，為了減少獲得鎖和釋放鎖所帶來(lái)的性能消耗，提高性能，引入了“輕量級(jí)鎖”和“偏向鎖”。

二、輕量級(jí)鎖

　　鎖的狀態(tài)總共有四種：無(wú)鎖狀態(tài)、偏向鎖、輕量級(jí)鎖和重量級(jí)鎖。隨著鎖的競(jìng)爭(zhēng)，鎖可以從偏向鎖升級(jí)到輕量級(jí)鎖，再升級(jí)的重量級(jí)鎖（但是鎖的升級(jí)是單向的，也就是說(shuō)只能從低到高升級(jí)，不會(huì)出現(xiàn)鎖的降級(jí)）。JDK 1.6中默認(rèn)是開啟偏向鎖和輕量級(jí)鎖的，我們也可以通過(guò)-XX:-UseBiasedLocking來(lái)禁用偏向鎖。鎖的狀態(tài)保存在對(duì)象的頭文件中，以32位的JDK為例：

　　“輕量級(jí)”是相對(duì)于使用操作系統(tǒng)互斥量來(lái)實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)鎖而言的。但是，首先需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，輕量級(jí)鎖并不是用來(lái)代替重量級(jí)鎖的，它的本意是在沒(méi)有多線程競(jìng)爭(zhēng)的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖使用產(chǎn)生的性能消耗。在解釋輕量級(jí)鎖的執(zhí)行過(guò)程之前，先明白一點(diǎn)，輕量級(jí)鎖所適應(yīng)的場(chǎng)景是線程交替執(zhí)行同步塊的情況，如果存在同一時(shí)間訪問(wèn)同一鎖的情況，就會(huì)導(dǎo)致輕量級(jí)鎖膨脹為重量級(jí)鎖。

1、輕量級(jí)鎖的加鎖過(guò)程

　?。?）在代碼進(jìn)入同步塊的時(shí)候，如果同步對(duì)象鎖狀態(tài)為無(wú)鎖狀態(tài)（鎖標(biāo)志位為“01”狀態(tài)，是否為偏向鎖為“0”），虛擬機(jī)首先將在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個(gè)名為鎖記錄（Lock Record）的空間，用于存儲(chǔ)鎖對(duì)象目前的Mark Word的拷貝，官方稱之為 Displaced Mark Word。這時(shí)候線程堆棧與對(duì)象頭的狀態(tài)如圖2.1所示。

　?。?）拷貝對(duì)象頭中的Mark Word復(fù)制到鎖記錄中。

　?。?）拷貝成功后，虛擬機(jī)將使用CAS操作嘗試將對(duì)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(zhí)行步驟（3），否則執(zhí)行步驟（4）。

　?。?）如果這個(gè)更新動(dòng)作成功了，那么這個(gè)線程就擁有了該對(duì)象的鎖，并且對(duì)象Mark Word的鎖標(biāo)志位設(shè)置為“00”，即表示此對(duì)象處于輕量級(jí)鎖定狀態(tài)，這時(shí)候線程堆棧與對(duì)象頭的狀態(tài)如圖2.2所示。

　?。?）如果這個(gè)更新操作失敗了，虛擬機(jī)首先會(huì)檢查對(duì)象的Mark Word是否指向當(dāng)前線程的棧幀，如果是就說(shuō)明當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了這個(gè)對(duì)象的鎖，那就可以直接進(jìn)入同步塊繼續(xù)執(zhí)行。否則說(shuō)明多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)鎖，輕量級(jí)鎖就要膨脹為重量級(jí)鎖，鎖標(biāo)志的狀態(tài)值變?yōu)椤?0”，Mark Word中存儲(chǔ)的就是指向重量級(jí)鎖（互斥量）的指針，后面等待鎖的線程也要進(jìn)入阻塞狀態(tài)。 而當(dāng)前線程便嘗試使用自旋來(lái)獲取鎖，自旋就是為了不讓線程阻塞，而采用循環(huán)去獲取鎖的過(guò)程。

                     圖2.1 輕量級(jí)鎖CAS操作之前堆棧與對(duì)象的狀態(tài)

                      圖2.2 輕量級(jí)鎖CAS操作之后堆棧與對(duì)象的狀態(tài)

2、輕量級(jí)鎖的解鎖過(guò)程：

　?。?）通過(guò)CAS操作嘗試把線程中復(fù)制的Displaced Mark Word對(duì)象替換當(dāng)前的Mark Word。

　?。?）如果替換成功，整個(gè)同步過(guò)程就完成了。

　?。?）如果替換失敗，說(shuō)明有其他線程嘗試過(guò)獲取該鎖（此時(shí)鎖已膨脹），那就要在釋放鎖的同時(shí)，喚醒被掛起的線程。

三、偏向鎖

　　引入偏向鎖是為了在無(wú)多線程競(jìng)爭(zhēng)的情況下盡量減少不必要的輕量級(jí)鎖執(zhí)行路徑，因?yàn)檩p量級(jí)鎖的獲取及釋放依賴多次CAS原子指令，而偏向鎖只需要在置換ThreadID的時(shí)候依賴一次CAS原子指令（由于一旦出現(xiàn)多線程競(jìng)爭(zhēng)的情況就必須撤銷偏向鎖，所以偏向鎖的撤銷操作的性能損耗必須小于節(jié)省下來(lái)的CAS原子指令的性能消耗）。上面說(shuō)過(guò)，輕量級(jí)鎖是為了在線程交替執(zhí)行同步塊時(shí)提高性能，而偏向鎖則是在只有一個(gè)線程執(zhí)行同步塊時(shí)進(jìn)一步提高性能。

1、偏向鎖獲取過(guò)程：

　?。?）訪問(wèn)Mark Word中偏向鎖的標(biāo)識(shí)是否設(shè)置成1，鎖標(biāo)志位是否為01——確認(rèn)為可偏向狀態(tài)。

　?。?）如果為可偏向狀態(tài)，則測(cè)試線程ID是否指向當(dāng)前線程，如果是，進(jìn)入步驟（5），否則進(jìn)入步驟（3）。

　　（3）如果線程ID并未指向當(dāng)前線程，則通過(guò)CAS操作競(jìng)爭(zhēng)鎖。如果競(jìng)爭(zhēng)成功，則將Mark Word中線程ID設(shè)置為當(dāng)前線程ID，然后執(zhí)行（5）；如果競(jìng)爭(zhēng)失敗，執(zhí)行（4）。

　　（4）如果CAS獲取偏向鎖失敗，則表示有競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)全局安全點(diǎn)（safepoint）時(shí)獲得偏向鎖的線程被掛起，偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖，然后被阻塞在安全點(diǎn)的線程繼續(xù)往下執(zhí)行同步代碼。

　?。?）執(zhí)行同步代碼。

2、偏向鎖的釋放：

　　偏向鎖的撤銷在上述第四步驟中有提到。偏向鎖只有遇到其他線程嘗試競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖時(shí)，持有偏向鎖的線程才會(huì)釋放鎖，線程不會(huì)主動(dòng)去釋放偏向鎖。偏向鎖的撤銷，需要等待全局安全點(diǎn)（在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上沒(méi)有字節(jié)碼正在執(zhí)行），它會(huì)首先暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對(duì)象是否處于被鎖定狀態(tài)，撤銷偏向鎖后恢復(fù)到未鎖定（標(biāo)志位為“01”）或輕量級(jí)鎖（標(biāo)志位為“00”）的狀態(tài)。

3、重量級(jí)鎖、輕量級(jí)鎖和偏向鎖之間轉(zhuǎn)換

                                        圖 2.3三者的轉(zhuǎn)換圖

　　該圖主要是對(duì)上述內(nèi)容的總結(jié)，如果對(duì)上述內(nèi)容有較好的了解的話，該圖應(yīng)該很容易看懂。

四、其他優(yōu)化

1、適應(yīng)性自旋（Adaptive Spinning）：從輕量級(jí)鎖獲取的流程中我們知道，當(dāng)線程在獲取輕量級(jí)鎖的過(guò)程中執(zhí)行CAS操作失敗時(shí)，是要通過(guò)自旋來(lái)獲取重量級(jí)鎖的。問(wèn)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(tài)，白白浪費(fèi)CPU資源。解決這個(gè)問(wèn)題最簡(jiǎn)單的辦法就是指定自旋的次數(shù)，例如讓其循環(huán)10次，如果還沒(méi)獲取到鎖就進(jìn)入阻塞狀態(tài)。但是JDK采用了更聰明的方式——適應(yīng)性自旋，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是線程如果自旋成功了，則下次自旋的次數(shù)會(huì)更多，如果自旋失敗了，則自旋的次數(shù)就會(huì)減少。

2、鎖粗化（Lock Coarsening）：鎖粗化的概念應(yīng)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(gè)連續(xù)的鎖擴(kuò)展成一個(gè)范圍更大的鎖。舉個(gè)例子：

package com.paddx.test.string;

public class StringBufferTest {
  StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();

  public void append(){
    stringBuffer.append("a");
    stringBuffer.append("b");
    stringBuffer.append("c");
  }
}

　　這里每次調(diào)用stringBuffer.append方法都需要加鎖和解鎖，如果虛擬機(jī)檢測(cè)到有一系列連串的對(duì)同一個(gè)對(duì)象加鎖和解鎖操作，就會(huì)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(shí)進(jìn)行加鎖，最后一次append方法結(jié)束后進(jìn)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(jù)代碼逃逸技術(shù)，如果判斷到一段代碼中，堆上的數(shù)據(jù)不會(huì)逃逸出當(dāng)前線程，那么可以認(rèn)為這段代碼是線程安全的，不必要加鎖。看下面這段程序：

package com.paddx.test.concurrent;

public class SynchronizedTest02 {

  public static void main(String[] args) {
    SynchronizedTest02 test02 = new SynchronizedTest02();
    //啟動(dòng)預(yù)熱
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
      i++;
    }
    long start = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
      test02.append("abc", "def");
    }
    System.out.println("Time=" + (System.currentTimeMillis() - start));
  }

  public void append(String str1, String str2) {
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(str1).append(str2);
  }
}

雖然StringBuffer的append是一個(gè)同步方法，但是這段程序中的StringBuffer屬于一個(gè)局部變量，并且不會(huì)從該方法中逃逸出去，所以其實(shí)這過(guò)程是線程安全的，可以將鎖消除。下面是我本地執(zhí)行的結(jié)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(guò)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(gè)版本之間執(zhí)行的結(jié)果不盡相同，我這里采用的JDK版本為1.6。

五、總結(jié)

　　本文重點(diǎn)介紹了JDk中采用輕量級(jí)鎖和偏向鎖等對(duì)Synchronized的優(yōu)化，但是這兩種鎖也不是完全沒(méi)缺點(diǎn)的，比如競(jìng)爭(zhēng)比較激烈的時(shí)候，不但無(wú)法提升效率，反而會(huì)降低效率，因?yàn)槎嗔艘粋€(gè)鎖升級(jí)的過(guò)程，這個(gè)時(shí)候就需要通過(guò)-XX:-UseBiasedLocking來(lái)禁用偏向鎖。下面是這幾種鎖的對(duì)比：