自旋锁与自适应自旋
同步互斥对性能最大的影响是阻塞的实现,挂起和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成,这些操作带来了并发性能的巨大压力。有时共享数据的锁定状态只会持续很短的时间,为了这段时间挂起并恢复线程并值得,如果处理器能够同时处理两个或以上的线程,不妨让线程先等待一下,看看持有锁的线程是否会很快释放锁,为了让线程等待,我们只需让线程执行一个忙循环(自旋),这项技术就是所谓的自旋锁。
自旋等待不能代替阻塞,且不说对处理器核心数的要求,如果所被占用时间很短,自旋等待的效果就会非常好,反之,如果锁被占用的时间很长,那么自旋的线程将白白浪费处理器资源,而不会做任何有用的工作,反而带来性能上的浪费。因此自旋等待必须有一定的限度,如果自旋超过了限定次数仍然没有成功获得锁,就应该放弃字段并挂起线程。
锁消除
锁消除是指虚拟机即编译器在运行时,对一些代码上要求同步,但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要判定依据来源于逃逸分析的数支持,如果判断一段代码中,堆上所有的数据都不会逃逸出去而被其他线程访问到,那就可以把它们当做栈上数据对待,认为它们是线程私有的,同步枷锁自然无须进行。
锁粗化
原则上,我们在编写代码的时候,总是推荐将同步块的作用范围限制的尽量小——只在共享数据的实际作用域中才进行同步,这样是为了使得需要同步的操作尽可能变小,如果存在锁竞争,那等待锁的线程也能尽快拿到锁。
大部分情况下,上面的原则都是正确的,但是如果一系列连续操作都对用一个对象反复加锁和解锁,甚至加锁操作出现在循环体重,那即时没有线程竞争,频繁地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,这样只需要加锁一次就可以了。
轻量级锁
轻量级锁并不是用来代替重量级锁的,它的本意是在没有多线程竞争的前提下,减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。
在代码进入同步块的时候,如果此同步对象没有被锁定(对象头锁标志位为“01”状态),虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录(Lock Record)的空间,用于存储锁对象目前Mark Word的拷贝。
然后,虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针,如果这个更新动作成功了,那么这个线程就拥有了该对象的锁,并且对象Mark Word的锁标志位(Mark Word的最后2bit)将转变为“00”,即表示此对象处于轻量级锁定状态。
如果这个更新操作失败了,虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧,如果是则说明当前线程拥有了这个对象的锁,那就可以直接进入同步块继续执行,否则说明了这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两条以上线程争用同一个锁,那轻量级锁就不再有效,要膨胀为重量级锁,锁标志状态值变为“10”,Mark Word中存储的就是指向重量级锁(互斥量)的指针,后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。
上述描述的是轻量级锁的加锁过程,它的解锁过程也是通过CAS操作来进行的,若果对象的Mark Word仍然指向线程的锁记录,那就用CAS操作把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来,如果替换成功,整个同步过程就完成了。如果替换失败,说明有其他线程尝试获取该锁,那就释放锁的同时,唤醒被挂起的线程。
轻量级锁能提升同步性能的依据是“对于绝大部分的锁,在整个同步周期内都是不存竞争的”,这是一个经验数据。如果没有竞争,轻量级锁使用CAS操作避免了使用互斥量的开销,但如果存在竞争,除了互斥量的开销外,还额外发生了CAS操作,因此有竞争的情况下,轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。
偏向锁
偏向锁的目的是消除数据在无竞争情况下同步原语,进一步提高程序的运行性能。如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量,那偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉,连CAS操作都不做了。
偏向锁的“偏”,它的意思就是这个锁会偏向于第一个获得它的线程,如果在接下来的执行过程中,改锁没有被其他的线程获取,则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。
假设当前虚拟机启用了偏向锁,当锁对象第一次被线程获取的时候,虚拟机将会吧对象头中的标志位设为“01”,即偏向模式,同时使用CAS操作吧获取到这个锁的线程ID记录在对象的Mark Word之中,如果CAS操作成功,持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时,虚拟机都可以不再进行任何同步操作。
当有另外一个线程去尝试获取这个锁时,偏向模式就宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态,撤销偏向(Revoke Bias)后恢复到未锁定(标志位“01”)或轻量级锁定(标志位为“00”)的状态,后续的同步操作就如上面的轻量级锁那样执行。
偏向锁、轻量级锁的状态转化及对象Mark Word的关系
偏向锁可以提高带有同步但不竞争的程序性能。它同样是一个带有效益权衡(Trade Off)性质的优化,也就是说,它并不一定总是对程序运行有利。如果程序中大多数的锁总是被多个不同的线程的访问,那偏向模式就是多余的。
参考资料
- 深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践 第2版
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