Synchronized 優(yōu)化手段之鎖膨脹機(jī)制！
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synchronized 在 JDK 1.5 之前性能是比較低的，在那時我們通常會選擇使用 Lock 來替代 synchronized。然而這個情況在 JDK 1.6 時就發(fā)生了改變，JDK 1.6 中對 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，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，也需要較長的執(zhí)行時間，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，則稱其處于用戶運(yùn)行態(tài)。內(nèi)核態(tài)(Kernel Mode)：當(dāng)一個任務(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，我們就稱進(jìn)程處于內(nèi)核運(yùn)行態(tài)，此時處理器處于特權(quán)級最高的內(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)行某個操作時會進(jìn)行一系列的驗證和檢驗之后，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，但同時兩種形態(tài)的切換會導(dǎo)致一定的性能開銷。
鎖膨脹
在 JDK 1.6 時，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“輕量級鎖”的狀態(tài)，此時 synchronized 的狀態(tài)總共有以下 4 種：
- 無鎖
- 偏向鎖
- 輕量級鎖
- 重量級鎖
鎖的級別按照上述先后順序依次升級，我們把這個升級的過程稱之為“鎖膨脹”。
PS：到現(xiàn)在為止，鎖的升級是單向的，也就是說只能從低到高升級(無鎖 -> 偏向鎖 -> 輕量鎖鎖 -> 重量級鎖)，不會出現(xiàn)鎖降級的情況。
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，鎖不存在多線程競爭，總是由同一線程多次獲得的，為了讓線程獲得鎖的代價更低，于是就引進(jìn)了偏向鎖。
偏向鎖(Biased Locking)指的是，它會偏向于第一個訪問鎖的線程，如果在運(yùn)行過程中，同步鎖只有一個線程訪問，不存在多線程爭用的情況，則線程是不需要觸發(fā)同步的，這種情況下會給線程加一個偏向鎖。
偏向鎖執(zhí)行流程
當(dāng)一個線程訪問同步代碼塊并獲取鎖時，會在對象頭的 Mark Word 里存儲鎖偏向的線程 ID，在線程進(jìn)入和退出同步塊時不再通過 CAS 操作來加鎖和解鎖，而是檢測 Mark Word 里是否存儲著指向當(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，否則會將鎖的狀態(tài)升級為輕量級鎖。
偏向鎖的優(yōu)點(diǎn)
偏向鎖是為了在無多線程競爭的情況下，盡量減少不必要的鎖切換而設(shè)計的，因為鎖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 的時候執(zhí)行一次 CAS 原子指令即可。
Mark Word 擴(kuò)展知識：內(nèi)存布局
在 HotSpot 虛擬機(jī)中，對象在內(nèi)存中存儲的布局可以分為以下 3 個區(qū)域：
- 對象頭(Header)
- 實(shí)例數(shù)據(jù)(Instance Data)
- 對齊填充(Padding)
對象頭中又包含了：
- Mark Word(標(biāo)記字段)：我們的偏向鎖信息就是存儲在此區(qū)域的。
- Klass Pointer(Class 對象指針)
對象在內(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.輕量級鎖
引入輕量級鎖的目的是在沒有多線程競爭的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級鎖使用操作系統(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)閉偏向鎖或者多個線程競爭偏向鎖時就會導(dǎo)致偏向鎖升級為輕量級鎖，輕量級鎖的獲取和釋放都通過 CAS 完成的，其中鎖獲取可能會通過一定次數(shù)的自旋來完成。
注意事項
需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：輕量級鎖并不是用來代替重量級鎖的，它的本意是在沒有多線程競爭的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級鎖使用產(chǎn)生的性能消耗。輕量級鎖所適應(yīng)的場景是線程交替執(zhí)行同步塊的情況，如果同一時間多個線程同時訪問時，就會導(dǎo)致輕量級鎖膨脹為重量級鎖。
3.重量級鎖
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，任何對象都有一個 Monitor 與之關(guān)聯(lián)，當(dāng)且一個 Monitor 被持有后，它將處于鎖定狀態(tài)。
如以下加鎖代碼：
- public class SynchronizedToMonitorExample {
- public static void main(String[] args) {
- int count = 0;
- synchronized (SynchronizedToMonitorExample.class) {
- for (int i = 0; i < 10; i++) {
- count++;
- }
- }
- System.out.println(count);
- }
- }
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 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，都會帶來用戶態(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 會從無鎖狀態(tài)、到偏向鎖、到輕量級鎖，最后到重量級鎖的過程。重量級之前的所有狀態(tài)在絕大數(shù)情況下可以大幅的提升 synchronized 的性能。
