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java鎖優(yōu)化策略

warkiz / 2760人閱讀

摘要：前置知識(shí)點(diǎn)對(duì)象頭要了解鎖優(yōu)化策略中的輕量級(jí)鎖與偏向鎖的原理和運(yùn)作過(guò)程，需要先了解虛擬機(jī)的對(duì)象頭部分的內(nèi)存布局。否則說(shuō)明這個(gè)鎖對(duì)象已經(jīng)被其他線程搶占了。

前置知識(shí)點(diǎn)：對(duì)象頭

要了解鎖優(yōu)化策略中的輕量級(jí)鎖與偏向鎖的原理和運(yùn)作過(guò)程，需要先了解Hotspot虛擬機(jī)的對(duì)象頭部分的內(nèi)存布局。

對(duì)象頭（摘自《深入理解java虛擬機(jī)》）

對(duì)象頭信息是與對(duì)象自身定義的數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)的額外存儲(chǔ)成本

如果對(duì)象是數(shù)組類型，則虛擬機(jī)用3個(gè)Word（字寬，在32位虛擬機(jī)中，一字寬等于四字節(jié)，即32bit）存儲(chǔ)對(duì)象頭。如果對(duì)象是非數(shù)組類型，則用2Word存儲(chǔ)對(duì)象頭。一個(gè)額外的字寬用于存儲(chǔ)數(shù)組長(zhǎng)度。

第一個(gè)字寬，用來(lái)存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù) 如：哈希嗎（HashCode）、GC分代年齡(Generational GC Age)等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度在32位和64位的虛擬機(jī)中分別為32bit和64bit，簡(jiǎn)稱“Mark Word”。

第二個(gè)字寬用于存儲(chǔ)指向方法區(qū)對(duì)象類型數(shù)據(jù)的指針。

對(duì)象頭信息會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間。例如：在32位的HotSpot虛擬機(jī)中對(duì)象未被鎖定的狀態(tài)下，Mark Word的32bit空間中的25bit用于存儲(chǔ)對(duì)象哈希嗎（HashCode），4bit用于存儲(chǔ)對(duì)象分代年齡，2bit用于存儲(chǔ)鎖標(biāo)志位，1bit固定為0。

整個(gè)對(duì)象頭如下圖：第三行即為第三部分，非數(shù)組類型的沒(méi)有第三個(gè)字寬。

Mark Word的默認(rèn)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下圖：

在運(yùn)行期間Mark Word里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)隨著鎖標(biāo)志位的變化而變化。Mark Word可能變化為存儲(chǔ)以下4種數(shù)據(jù)：

在64位虛擬機(jī)下，Mark Word是64bit大小的，其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下：

鎖狀態(tài)

Java SE1.6為了減少獲得鎖和釋放鎖所帶來(lái)的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級(jí)鎖”，

所以在Java SE1.6里鎖一共有四種狀態(tài)，無(wú)鎖狀態(tài)，偏向鎖狀態(tài)，輕量級(jí)鎖狀態(tài)和重量級(jí)鎖狀態(tài)，它會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)情況逐漸升級(jí)。

鎖可以升級(jí)但不能降級(jí)，意味著偏向鎖升級(jí)成輕量級(jí)鎖后不能降級(jí)成偏向鎖。

這種鎖升級(jí)卻不能降級(jí)的策略，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率，下文會(huì)詳細(xì)分析。

偏向鎖

Hotspot的作者經(jīng)過(guò)以往的研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)情況下鎖不僅不存在多線程競(jìng)爭(zhēng)，而且總是由同一線程多次獲得，為了讓線程獲得鎖的代價(jià)更低而引入了偏向鎖。

在沒(méi)有實(shí)際競(jìng)爭(zhēng)的情況下，還能夠針對(duì)部分場(chǎng)景繼續(xù)優(yōu)化。如果不僅僅沒(méi)有實(shí)際競(jìng)爭(zhēng)，自始至終，使用鎖的線程都只有一個(gè)，那么，維護(hù)輕量級(jí)鎖都是浪費(fèi)的。偏向鎖的目標(biāo)是，減少無(wú)競(jìng)爭(zhēng)且只有一個(gè)線程使用鎖的情況下，使用輕量級(jí)鎖產(chǎn)生的性能消耗。輕量級(jí)鎖每次申請(qǐng)、釋放鎖都至少需要一次CAS，但偏向鎖只有初始化時(shí)需要一次CAS。

配置

默認(rèn)-XX:+UseBiasedLocking=true
-XX:-UseBiasedLocking=false關(guān)閉偏向鎖
應(yīng)用程序啟動(dòng)幾秒鐘之后才激活
-XX：BiasedLockingStartupDelay = 0關(guān)閉延遲

加鎖流程

獲取偏向鎖

根據(jù)上圖，我們可以看到，首先判斷鎖對(duì)象是不是可偏向?qū)ο螅?strong>若鎖對(duì)象已經(jīng)被輕量級(jí)鎖定或者重量級(jí)鎖定了，因?yàn)殒i不會(huì)降級(jí)，所以它是不可偏向，同樣的，關(guān)閉了偏向鎖的設(shè)置-UseBiasedLocking=false，也會(huì)造成鎖對(duì)象不可偏向）

接下來(lái)，我們假定鎖對(duì)象處于可偏向狀態(tài)，并且ThreadID為0即biasable & unbiased狀態(tài)（這里不討論epoch和age）

當(dāng)一個(gè)線程試圖鎖住一個(gè)處于biasable & unbiased狀態(tài)的對(duì)象時(shí)，通過(guò)一個(gè)CAS將自己的ThreadID放置到Mark Word中相應(yīng)的位置，如果CAS操作成功進(jìn)入第（3）步否則進(jìn)入（4）步

當(dāng)進(jìn)入到這一步時(shí)代表當(dāng)前沒(méi)有鎖競(jìng)爭(zhēng)，鎖對(duì)象繼續(xù)保持biasable可偏向狀態(tài)，但是這時(shí)ThreadID字段被設(shè)置成了偏向鎖所有者的ID，然后進(jìn)入到第（6）步

當(dāng)前線程執(zhí)行CAS獲取偏向鎖失敗（這一步是偏向鎖的關(guān)鍵），表示在該鎖對(duì)象上存在競(jìng)爭(zhēng)并且這個(gè)時(shí)候另外一個(gè)線程在持有偏向鎖所有權(quán)。這個(gè)時(shí)候，就要判斷持有偏向鎖的線程是否還活著，因?yàn)橐粋€(gè)線程執(zhí)行完同步代碼塊后，不會(huì)主動(dòng)釋放偏向鎖。如果持有偏向鎖的線程還活著，將偏向鎖消除，膨脹為輕量級(jí)鎖，否則，將偏向鎖消除，讓爭(zhēng)鎖的線程持有偏向鎖。
具體過(guò)程是：當(dāng)?shù)竭_(dá)全局安全點(diǎn)（safepoint，在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上沒(méi)有字節(jié)碼正在執(zhí)行）時(shí)擁有偏向鎖的線程被掛起，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(dòng)狀態(tài)，則將對(duì)象頭設(shè)置成無(wú)鎖狀態(tài)，如果線程仍然活著，鎖對(duì)象有可能升級(jí)為輕量級(jí)鎖狀態(tài)（鎖標(biāo)志位置為00）,阻塞在安全點(diǎn)的原持有線程被釋放，進(jìn)入到輕量級(jí)鎖的執(zhí)行路徑中，繼續(xù)往下執(zhí)行同步代碼。

當(dāng)一個(gè)線程試圖鎖住一個(gè)處于biasable & biased并且ThreadID不等于自己的ID時(shí)，這時(shí)由于存在鎖競(jìng)爭(zhēng)必須進(jìn)入到第（4）步來(lái)撤銷偏向鎖。

運(yùn)行同步代碼塊

輕量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖是由偏向所升級(jí)來(lái)的，偏向鎖運(yùn)行在一個(gè)線程進(jìn)入同步塊的情況下，當(dāng)?shù)诙€(gè)線程加入鎖爭(zhēng)用的時(shí)候，偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖；

加鎖過(guò)程

在代碼進(jìn)入同步塊的時(shí)候，如果此同步對(duì)象沒(méi)有被鎖定（鎖標(biāo)志位為“01”狀態(tài)），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)鎖記錄目前的Mark Word的拷貝（稱為Displaced Mark Word）以及記錄鎖對(duì)象的指針owner。

當(dāng)一個(gè)線程來(lái)獲取這個(gè)鎖，虛擬機(jī)將使用CAS操作嘗試將鎖對(duì)象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針。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（Mark Word的最后2bit）將轉(zhuǎn)變?yōu)椤?0”，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)如下：

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。如果指向，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)明這個(gè)鎖對(duì)象已經(jīng)被其他線程搶占了。那么它就會(huì)自旋等待鎖，一定次數(shù)后仍未獲得鎖對(duì)象，則修改mark word，將其修改為重量級(jí)鎖的指針，表示該鎖對(duì)象進(jìn)入了重量鎖狀態(tài)。如果有兩條以上的線程爭(zhēng)用同一個(gè)鎖，那輕量級(jí)鎖就不再有效，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)（互斥量）的指針。

由輕量鎖切換到重量鎖，是發(fā)生在輕量鎖釋放鎖的期間的，另一邊，持有輕量級(jí)鎖的線程，之前在獲取鎖的時(shí)候它拷貝了鎖對(duì)象頭的mark word，在釋放鎖的時(shí)候如果它發(fā)現(xiàn)在它持有鎖的期間有其他線程來(lái)嘗試獲取鎖了，并且該線程對(duì)mark word做了修改，兩者比對(duì)發(fā)現(xiàn)不一致導(dǎo)致釋放鎖的CAS失敗，于是也切換到重量鎖，釋放輕量鎖，并喚醒阻塞的線程。

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