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Synchronized 優(yōu)化手段之鎖膨脹機(jī)制！

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「Java中文社群」，作者磊哥。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系Java中文社群公眾號(hào)。

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synchronized 在 JDK 1.5 之前性能是比較低的，在那時(shí)我們通常會(huì)選擇使用 Lock 來替代 synchronized。然而這個(gè)情況在 JDK 1.6 時(shí)就發(fā)生了改變，JDK 1.6 中對(duì) synchronized 進(jìn)行了各種優(yōu)化，性能也得到了大幅的提升，這也是目前版本中還能經(jīng)常見到 synchronized 身影的重要原因之一。當(dāng)然除了性能之外，synchronized 的使用也非常便利，這也是它流行的重要原因。

在眾多優(yōu)化方案中，鎖膨脹機(jī)制是提升 synchronized 性能最有利的手段之一(其他優(yōu)化方案我們后面再講)，本文我們重點(diǎn)來看什么是鎖膨脹?以及鎖膨脹的各種細(xì)節(jié)。

正文

在 JDK 1.5 時(shí)，synchronized 需要調(diào)用監(jiān)視器鎖(Monitor)來實(shí)現(xiàn)，監(jiān)視器鎖本質(zhì)上又是依賴于底層的操作系統(tǒng)的 Mutex Lock(互斥鎖)實(shí)現(xiàn)的，互斥鎖在進(jìn)行釋放和獲取的時(shí)候，需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài)，這樣就造成了很高的成本，也需要較長(zhǎng)的執(zhí)行時(shí)間，這種依賴于操作系統(tǒng) Mutex Lock 實(shí)現(xiàn)的鎖我們稱之為“重量級(jí)鎖”。

什么是用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)?

用戶態(tài)(User Mode)：當(dāng)進(jìn)程在執(zhí)行用戶自己的代碼時(shí)，則稱其處于用戶運(yùn)行態(tài)。內(nèi)核態(tài)(Kernel Mode)：當(dāng)一個(gè)任務(wù)(進(jìn)程)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用而陷入內(nèi)核代碼中執(zhí)行時(shí)，我們就稱進(jìn)程處于內(nèi)核運(yùn)行態(tài)，此時(shí)處理器處于特權(quán)級(jí)最高的內(nèi)核代碼中執(zhí)行。

為什么分內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)?

假設(shè)沒有內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之分，程序就可以隨意讀寫硬件資源了，比如隨意讀寫和分配內(nèi)存，這樣如果程序員一不小心將不適當(dāng)?shù)膬?nèi)容寫到了不該寫的地方，很可能就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

而有了用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的區(qū)分之后，程序在執(zhí)行某個(gè)操作時(shí)會(huì)進(jìn)行一系列的驗(yàn)證和檢驗(yàn)之后，確認(rèn)沒問題之后才可以正常的操作資源，這樣就不會(huì)擔(dān)心一不小心就把系統(tǒng)搞壞的情況了，也就是有了內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的區(qū)分之后可以讓程序更加安全的運(yùn)行，但同時(shí)兩種形態(tài)的切換會(huì)導(dǎo)致一定的性能開銷。

鎖膨脹

在 JDK 1.6 時(shí)，為了解決獲取鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級(jí)鎖”的狀態(tài)，此時(shí) synchronized 的狀態(tài)總共有以下 4 種：

  1. 無鎖
  2. 偏向鎖
  3. 輕量級(jí)鎖
  4. 重量級(jí)鎖

鎖的級(jí)別按照上述先后順序依次升級(jí)，我們把這個(gè)升級(jí)的過程稱之為“鎖膨脹”。

PS：到現(xiàn)在為止，鎖的升級(jí)是單向的，也就是說只能從低到高升級(jí)(無鎖 -> 偏向鎖 -> 輕量鎖鎖 -> 重量級(jí)鎖)，不會(huì)出現(xiàn)鎖降級(jí)的情況。

鎖膨脹為什么能優(yōu)化 synchronized 的性能?當(dāng)我們了解了這些鎖狀態(tài)之后自然就會(huì)有答案，下面我們一起來看。

1.偏向鎖

HotSpot 作者經(jīng)過研究實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，鎖不存在多線程競(jìng)爭(zhēng)，總是由同一線程多次獲得的，為了讓線程獲得鎖的代價(jià)更低，于是就引進(jìn)了偏向鎖。

偏向鎖(Biased Locking)指的是，它會(huì)偏向于第一個(gè)訪問鎖的線程，如果在運(yùn)行過程中，同步鎖只有一個(gè)線程訪問，不存在多線程爭(zhēng)用的情況，則線程是不需要觸發(fā)同步的，這種情況下會(huì)給線程加一個(gè)偏向鎖。

偏向鎖執(zhí)行流程

當(dāng)一個(gè)線程訪問同步代碼塊并獲取鎖時(shí)，會(huì)在對(duì)象頭的 Mark Word 里存儲(chǔ)鎖偏向的線程 ID，在線程進(jìn)入和退出同步塊時(shí)不再通過 CAS 操作來加鎖和解鎖，而是檢測(cè) Mark Word 里是否存儲(chǔ)著指向當(dāng)前線程的偏向鎖，如果 Mark Word 中的線程 ID 和訪問的線程 ID 一致，則可以直接進(jìn)入同步塊進(jìn)行代碼執(zhí)行，如果線程 ID 不同，則使用 CAS 嘗試獲取鎖，如果獲取成功則進(jìn)入同步塊執(zhí)行代碼，否則會(huì)將鎖的狀態(tài)升級(jí)為輕量級(jí)鎖。

偏向鎖的優(yōu)點(diǎn)

偏向鎖是為了在無多線程競(jìng)爭(zhēng)的情況下，盡量減少不必要的鎖切換而設(shè)計(jì)的，因?yàn)殒i的獲取及釋放要依賴多次 CAS 原子指令，而偏向鎖只需要在置換線程 ID 的時(shí)候執(zhí)行一次 CAS 原子指令即可。

Mark Word 擴(kuò)展知識(shí)：內(nèi)存布局

在 HotSpot 虛擬機(jī)中，對(duì)象在內(nèi)存中存儲(chǔ)的布局可以分為以下 3 個(gè)區(qū)域：

  1. 對(duì)象頭(Header)
  2. 實(shí)例數(shù)據(jù)(Instance Data)
  3. 對(duì)齊填充(Padding)

對(duì)象頭中又包含了：

  1. Mark Word(標(biāo)記字段)：我們的偏向鎖信息就是存儲(chǔ)在此區(qū)域的。
  2. Klass Pointer(Class 對(duì)象指針)

對(duì)象在內(nèi)存中的布局如下：

在 JDK 1.6 中默認(rèn)是開啟偏向鎖的，可以通過“-XX:-UseBiasedLocking=false”命令來禁用偏向鎖。

2.輕量級(jí)鎖

引入輕量級(jí)鎖的目的是在沒有多線程競(jìng)爭(zhēng)的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖使用操作系統(tǒng) Mutex Lock(互斥鎖)產(chǎn)生的性能消耗。如果使用 Mutex Lock 每次獲取鎖和釋放鎖的操作都會(huì)帶來用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換，這樣系統(tǒng)的性能開銷是很大的。

當(dāng)關(guān)閉偏向鎖或者多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖時(shí)就會(huì)導(dǎo)致偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖，輕量級(jí)鎖的獲取和釋放都通過 CAS 完成的，其中鎖獲取可能會(huì)通過一定次數(shù)的自旋來完成。

注意事項(xiàng)

需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：輕量級(jí)鎖并不是用來代替重量級(jí)鎖的，它的本意是在沒有多線程競(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。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，如果同一時(shí)間多個(gè)線程同時(shí)訪問時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致輕量級(jí)鎖膨脹為重量級(jí)鎖。

3.重量級(jí)鎖

synchronized 是依賴監(jiān)視器 Monitor 實(shí)現(xiàn)方法同步或代碼塊同步的，代碼塊同步使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令來實(shí)現(xiàn)的，monitorenter 指令是在編譯后插入到同步代碼塊的開始位置，而 monitorexit 是插入到方法結(jié)束處和異常處的，任何對(duì)象都有一個(gè) Monitor 與之關(guān)聯(lián)，當(dāng)且一個(gè) Monitor 被持有后，它將處于鎖定狀態(tài)。

如以下加鎖代碼：

  
 
 
 
       
  
  
  
  1. public class SynchronizedToMonitorExample { 
    2.    
  
  
  
  2.     public static void main(String[] args) { 
    3.    
  
  
  
  3.         int count = 0; 
    4.    
  
  
  
  4.         synchronized (SynchronizedToMonitorExample.class) { 
    5.    
  
  
  
  5.             for (int i = 0; i < 10; i++) { 
    6.    
  
  
  
  6.                 count++; 
    7.    
  
  
  
  7.             } 
    8.    
  
  
  
  8.         } 
    9.    
  
  
  
  9.         System.out.println(count); 
    10.    
  
  
  
  10.     } 
    11.    
  
  
  
  11. } 
    12.

當(dāng)我們將上述代碼編譯成字節(jié)碼之后，它的內(nèi)容是這樣的：

從上述結(jié)果可以看出，在 main 方法的執(zhí)行中多個(gè) monitorenter 和 monitorexit 的指令，由此可知 synchronized 是依賴 Monitor 監(jiān)視器鎖實(shí)現(xiàn)的，而監(jiān)視器鎖又是依賴操作系統(tǒng)的互斥鎖(Mutex Lock)，互斥鎖在每次獲取和釋放鎖時(shí)，都會(huì)帶來用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換，這樣就增加了系統(tǒng)的性能開銷。

總結(jié)

synchronized 在 JDK 1.6 時(shí)優(yōu)化了其性能，在一系列優(yōu)化的手段中，鎖膨脹是提升 synchronized 執(zhí)行效率的關(guān)鍵手段之一，鎖膨脹指的是 synchronized 會(huì)從無鎖狀態(tài)、到偏向鎖、到輕量級(jí)鎖，最后到重量級(jí)鎖的過程。重量級(jí)之前的所有狀態(tài)在絕大數(shù)情況下可以大幅的提升 synchronized 的性能。


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