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  • ​Java虚拟机Synchronized优化自旋锁,自适应的自旋锁,偏向锁,轻量级锁,锁膨胀,重量级锁 2018年拍摄于日本京都金阁寺 微信公众号 王皓的GitHub:https://github.com/Te...

    ​Java虚拟机 Synchronized的优化 自旋锁,自适应的自旋锁,偏向锁,轻量级锁,锁膨胀,重量级锁

                                                                                   2018年拍摄于日本京都金阁寺

    微信公众号

     

    王皓的GitHub:https://github.com/TenaciousDWang

     

          上一回说了Synchronized同步代码块的使用及简单原理,这一回说一下JDK1.5到JDK1.6对于Synchronized的一个重要改进,用来提高并发效率,这一回主要会介绍自旋锁,自适应的自旋锁,锁膨胀,轻量级锁,偏向锁,现在我们把传统的Synchronized定义为重量级锁。

     

        JVM的虚拟机开发团队为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗而引入的偏向锁和轻量级锁,以及锁的存储结构和升级过程。

     

        自旋锁,我们前面知道Synchronized是一种互斥锁,通过对一个资源加锁保证一个线程对其执行操作,其他线程没有获取到锁时将处于阻塞状态,将线程挂起与恢复线程,每个线程都需要记录程序计数器和CPU寄存器状态,存储和恢复每个线程的执行状态,都是是资源开销,也会造成效率下降。

     

        JVM虚拟机的开发团队发现有一些共享数据被锁定的时间其实很短,为了这么短的时间去挂起和恢复线程不太值得,所以假设有一个线程在使用共享资源,第二个线程需要访问时不需要挂起线程,也就是说不放弃CPU时间片执行时间,而是等待第一个持有锁的线程是否很快的释放锁,为了让线程等待且不放弃CPU执行时间,然后不断的判断锁是否能够被成功获取,直到获取到锁才会退出循环,这就是自旋锁。

     

        自旋等待并不能代替阻塞,首先至少两个线程都获取到CPU执行时间,首先对处理器数量是有要求的,自旋虽然避免了线程切换的开销,但是其仍然占用CPU执行时间,如果自旋时间短则效果会非常好,如果等待时间较长,那么就会长时间浪费处理器资源。

     

        在虚拟机中,自旋默认次数为10,我们可以通过设置JVM参数-XX:PreBlockSpin来更改,达到自旋次数后会按照传统方式挂起线程。

     

      自旋锁在Java 1.4.2时就引入了,默认为关闭,可以使用-XX:+UseSpinning参数来开启,Java 1.6时已经默认开启,并且引入了自适应的自旋锁,当一个线程通过自旋获取到锁后,JVM会认为其很可能再次成功,所以每次自旋获得锁时,自旋时间都会延长,相反如果一个线程很少通过自旋获取锁,则该线程以后则会被JVM忽略自旋,直接使其挂起,避免浪费资源。

     

        在说轻量锁与偏向锁,锁膨胀之前,我们需要先了解Java对象头的内存布局,这里参考了周志明《深入理解Java虚拟机》,在32位与64位的JVM虚拟机中对象头的大小分别为32bit与64bit,如果不是数组对象则分为两部分,数组对象多一个部分存储数组长度。

     

    名称

    内容说明

    Mark Word

    存储对象的hashCode或锁信息等。

    Class Metadata Address

    存储到对象类型数据的指针

    Array length

    数组的长度(如果当前对象是数组)

     

        Mark Word中所记录的锁标志位是实现轻量级锁与偏向锁的关键,接下来我们以32位JVM的Mark Word组成来看一下:32bit中有25bit用于存储对象HashCode,4bit用于存储对象分代年龄,2bit用于存储锁标志位,1bit固定为0,注意这些空间的大小不是固定的,会随着状态变化而发生改变,为了JVM的空间效率,在最小的空间内尽量存储更多的信息。

     

     

        在了解了Mark Word里存有锁标志位后,我们现在先了解一下锁的状态,在Java 1.6+里锁一共有四种状态,无锁状态,偏向锁状态,轻量级锁状态和重量级锁状态,它会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级,意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。

     

        首先我们来说一下偏向锁,偏向锁就是偏向第一个获取锁的线程,在无竞争状态下,同步与CAS操作都不做了,如果一直没有其他线程去获取锁,则一直偏向,偏心下去,永远不需要再进行同步。

     

        这里的CAS操作指compare and swap(比较与交换),是一种有名的无锁算法。无锁编程,即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步,也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步,所以也叫非阻塞同步(Non-blocking Synchronization)。CAS算法涉及到三个操作数

     

    • 需要读写的内存值 V
    • 进行比较的值 A(预期值,写入B之前重新获取V)
    • 拟写入的新值 B

     

        CAS指令执行时,当且仅当内存地址V的值与预期值A相等时,将内存地址V的值修改为B,否则就什么都不做。整个比较并替换的操作是一个原子操作。一般情况下是一个自旋操作,即不断的重试。

     

        当锁对象第一次被线程获取时,JVM会把该对象头中的锁标志位改为01,即可偏向(偏向锁)状态,同时使用CAS操作将线程ID写入Mark Work之中,如果CAS操作成功,则持有该锁的线程每次进入该同步块时,就可以不做任何同步操作。

     

        当有另一个线程去获取锁对象时,根据CAS算法规则会操作失败,即写入失败,此时会根据锁对象状态来判定,如果锁对象处于未锁定状态则撤销偏向锁标记恢复为未锁定状态01,如果锁定则将锁标记设置为00,升级为轻量级锁状态。

     

        轻量级锁加锁,线程在执行同步块之前,JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间,锁记录(Lock Record),并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中,copy的记录官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功,当前线程获得锁。

     

                                                                      图片引用自周志明《进入理解JVM虚拟机》

     

     

        如果失败,表示其他线程竞争锁,当前线程便尝试使用自旋来获取锁,这个就是轻量级锁,实际上为一个线程占用,另一个线程处于自旋状态,节省互斥开销。

     

        超过两个线程竞争时轻量锁不再有效,这时膨胀为重量级锁,锁标记会被JVM设置为10,进入重量锁状态,即互斥状态,其他竞争线程不再自旋而进入阻塞状态。

     

        这里的重量级锁指的就是传统synchronized同步。

     

        偏向锁与轻量级锁虽然可以提高有同步无竞争的性能,但是我们在实际工作中遇到的大多都是一个共享资源被多个线程访问,此时上述操作反而会多余并增加类似于CAS操作,自旋等资源开销,我们应该根据实际情况来使用上述优化,在锁竞争激烈的时候我们其实可以用参数-XX:-UseBiasedLocking来禁止偏向锁优化来提升性能。

     

     

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  • 锁的状态总共有四种,无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争,锁可以...这里并不打算深入到每个锁的实现和转换过程更多地是阐述Java虚拟机所提供的每个锁的核心优化思想,毕竟涉及到具体过程比较繁琐...

    锁的状态总共有四种,无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争,锁可以从偏向锁升级到轻量级锁,再升级的重量级锁,但是锁的升级是单向的,也就是说只能从低到高升级,不会出现锁的降级,关于重量级锁,前面我们已详细分析过,下面我们将介绍偏向锁和轻量级锁以及JVM的其他优化手段,这里并不打算深入到每个锁的实现和转换过程更多地是阐述Java虚拟机所提供的每个锁的核心优化思想,毕竟涉及到具体过程比较繁琐,如需了解详细过程可以查阅《深入理解Java虚拟机原理》。

    偏向锁
    偏向锁是Java 6之后加入的新锁,它是一种针对加锁操作的优化手段,经过研究发现,在大多数情况下,锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一线程多次获得,因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心思想是,如果一个线程获得了锁,那么锁就进入偏向模式,此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构,当这个线程再次请求锁时,无需再做任何同步操作,即获取锁的过程,这样就省去了大量有关锁申请的操作,从而也就提供程序的性能。所以,对于没有锁竞争的场合,偏向锁有很好的优化效果,毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。但是对于锁竞争比较激烈的场合,偏向锁就失效了,因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的,因此这种场合下不应该使用偏向锁,否则会得不偿失,需要注意的是,偏向锁失败后,并不会立即膨胀为重量级锁,而是先升级为轻量级锁。下面我们接着了解轻量级锁。

    轻量级锁
    倘若偏向锁失败,虚拟机并不会立即升级为重量级锁,它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的),此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁,在整个同步周期内都不存在竞争”,注意这是经验数据。需要了解的是,轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合,如果存在同一时间访问同一锁的场合,就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

    自旋锁
    轻量级锁失败后,虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起,还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于在大多数情况下,线程持有锁的时间都不会太长,如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失,毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态,这个状态之间的转换需要相对比较长的时间,时间成本相对较高,因此自旋锁会假设在不久将来,当前的线程可以获得锁,因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因),一般不会太久,可能是50个循环或100循环,在经过若干次循环后,如果得到锁,就顺利进入临界区。如果还不能获得锁,那就会将线程在操作系统层面挂起,这就是自旋锁的优化方式,这种方式确实也是可以提升效率的。最后没办法也就只能升级为重量级锁了。

    锁消除
    消除锁是虚拟机另外一种锁的优化,这种优化更彻底,Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译,又称即时编译),通过对运行上下文的扫描,去除不可能存在共享资源竞争的锁,通过这种方式消除没有必要的锁,可以节省毫无意义的请求锁时间,如下StringBuffer的append是一个同步方法,但是在add方法中的StringBuffer属于一个局部变量,并且不会被其他线程所使用,因此StringBuffer不可能存在共享资源竞争的情景,JVM会自动将其锁消除。

    /**
     * Created by zejian on 2017/6/4.
     * Blog : http://blog.csdn.net/javazejian [原文地址,请尊重原创]
     * 消除StringBuffer同步锁
     */
    public class StringBufferRemoveSync {
    
        public void add(String str1, String str2) {
            //StringBuffer是线程安全,由于sb只会在append方法中使用,不可能被其他线程引用
            //因此sb属于不可能共享的资源,JVM会自动消除内部的锁
            StringBuffer sb = new StringBuffer();
            sb.append(str1).append(str2);
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            StringBufferRemoveSync rmsync = new StringBufferRemoveSync();
            for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
                rmsync.add("abc", "123");
            }
        }
    
    }

    原文:https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483 
     

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  • 一、volatile 与 synchronized 关键字 的原理    Java代码首先会被编译成字节码文件。字节码文件被加载到JVM中,JVM将字节码翻译成汇编指令,从而在CPU中执行。  谈到volatile关键字,就会想到两点:  (1)...

    一、volatile 与 synchronized 关键字 的原理

     

            Java代码首先会被编译成字节码文件。字节码文件被加载到JVM中,JVM将字节码翻译成汇编指令,从而在CPU中执行。

            谈到volatile关键字,就会想到两点:

            (1)让变量在多个线程之间可见,并且强制线程从公共堆栈中取得变量的值(常见的从变量和线程的角度分别阐释)。

            (2)禁止JVM指令重排序优化

             上述只是现象,原理可以粗略理解为:强制线程把修改的数据写回主内存,并且让其它线程的相关缓存失效,需要从主存中重新读取数据。

            synchronized本质其实就是获取对象的监视器,这个过程是排他的,同一时刻只有一个线程能够获取到同步锁对象的监视器
    获取对象监视器的线程失败后,将会回到同步队列,其线程的状态进入BLOCKED状态

     

    二、synchronized关键字的优化

     

            CAS可以粗略的理解为 "读改写" 操作。

            对象的结构简单示意:对象由 “对象头” 和 “对象实例”组成。对象头 由“ 锁状态”等信息组成。

            synchronized 用的锁是存在 Java 对象头里的。

            锁的状态有4种,级别从低到高依次是: 无锁状态偏向锁状态轻量级锁状态 重量级锁状态

            (1)偏向锁:如果一个线程获得了锁,那么锁就会进入偏向模式。当这个线程再次请求锁的时候,无需在做任何同步操作。这样就节省了大量有关锁申请的操作,从而提高了程序的性能。

            因此,对于几乎没有锁竞争的场合,偏向锁有比较好的优化效果,因为连续多次极有可能是同一个线程请求相同的锁。而对于锁竞争比较激烈的场合,其效果不佳。因为在竞争激烈的场合,最有可能的情况是每次都是不同的线程来请求相同的锁。这样偏向模式会失效,撤销锁将会带来额外的性能消耗,因此还不如不启用偏向锁。使用Java虚拟机参数-XX:+UseBiasedLocking可以开启偏向锁。

            (2)轻量级锁:如果锁被其它线程抢夺了,也就是偏向锁失败,虚拟机并不会立即挂起线程。它还会使用一种称为轻量级锁的优化手段。轻量级锁的目标是允许多个线程获取锁,但是不能出竞争, 否则轻量级锁膨胀为重量级锁。轻量级锁只是简单地将对象头部作为指针,指向持有锁的线程堆栈的内部,来判断一个线程是否持有对象锁。如果线程获得轻量级锁成功,则可以顺利进入临界区。如果轻量级锁加锁失败,则表示其他线程抢先争夺到了锁,那么当前线程的锁请求就会膨胀为重量级锁。竞争的线程不会真正的阻塞,它通过不断的自旋来争取同步锁,相当于还没有待机

            (3)自旋锁:轻量级锁就会膨胀为重量级锁后,虚拟机为了避免线程真实的在操作系统层面挂起,虚拟机还会在做最后的努力--自旋锁。若经过几个空循环可以获取到锁则进入临界区,如果还是获取不到则系统会真正的挂起线程。

            (4)重量级锁:线程没有争取到锁,直接进入BLOCKED状态,再次启动去争取同步锁较为消耗时间。

            为什么锁的升级无法逆向?

            自旋锁无法预知到底会空循环几个时钟周期,并且会很消耗 CPU,为了避免这种无用的自旋操作,一旦锁升级为重量锁,就不会再恢复到轻量级锁

    è¿éåå¾çæè¿°

     

            轻量级锁
            如果说偏向锁是只允许一个线程获得锁,那么轻量级锁就是允许多个线程获得锁,但是只允许他们顺序拿锁,不允许出现竞争,也就是拿锁失败的情况,轻量级锁的步骤如下:

            1)线程1在执行同步代码块之前,JVM会先在当前线程的中创建一个锁记录,然后再把同步锁的对象头中的Mark Word复制到该锁记录中,官方称之为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word 指向那个线程的锁记录,即让锁对象记录哪个线程要获取锁。如果成功,则获得锁,进入步骤3)。如果线程发现指针指向了别的线程的锁记录,则就是有其它线程在竞争同步锁,则失败执行步骤2)

            2)线程自旋,自旋成功则获得锁,进入步骤3)。自旋失败,则膨胀成为重量级锁,并把锁标志位变为10,线程阻塞进入步骤3)

            3)锁的持有线程执行同步代码,执行完CAS替换Mark Word成功释放锁,即把锁记录的数据,重写写入锁对象的对象头中,相当于归还一样。如果CAS成功则流程结束,CAS失败执行步骤4)

            4)CAS执行失败说明期间有线程尝试获得锁并自旋失败,轻量级锁升级为了重量级锁,此时释放锁之后,还要唤醒等待的线程

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

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    自旋等待的时间是有限度的,因为如果锁占用时间很长,那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源,带来性能上的浪费,所以在JDK1.6引入了自适应的自旋锁,自适应的自旋锁自旋时间不再固定,而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定,如果在同一个锁上,自旋等待刚刚获得成功,并且持有锁的线程正在运行,那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能获得成功,进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间,比如100个循环,对于自旋很少成功的锁,以后获取这个锁将可能省略掉自旋过程。

    JDK1.6后锁自旋默认开启。


    锁消除

    锁消除是指虚拟机即时编译器在运行时,对一些代码上要求同步,但被检查到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。如果判断在一段代码中,堆上的所有数据都不会逃逸出去从而被其他线程访问到,那就可以把它们当作栈上数据对待,认为它们是线程私有的,同步加锁自然就无须进行


    锁粗化

    我们编写代码时,推荐将同步块的作用范围限制得尽量小——只在共享的实际作用域才进行同步,这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小,如果存在锁竞争,那等待锁的线程也能尽快拿到锁。

    如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁,甚至加锁操作是出现在循环体中,即时没有线程竞争,频繁进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。

    如果虚拟机探测到有这样一串零碎的操作都对同一个对象加锁,将会把加锁同步的范围扩展(粗化)到整个操作序列的外部。即扩展到对象第一次加锁前和最后一次加锁后。



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空空如也

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虚拟机对synchronized的优化