為了換取性能，JVM在內(nèi)置鎖上做了非常多的優(yōu)化，膨脹式的鎖分配策略就是其一。理解偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖的要解決的基本問題，幾種鎖的分配和膨脹過程，有助于編寫并優(yōu)化基于鎖的并發(fā)程序。

內(nèi)置鎖的分配和膨脹過程較為復(fù)雜，限于時(shí)間和精力，文中該部分內(nèi)容是根據(jù)網(wǎng)上的多方資料整合而來；僅為方便查閱，后面繼續(xù)分析JVM源碼的時(shí)候也有個(gè)參考。如果對(duì)各級(jí)鎖已經(jīng)有了基本了解，讀者大可跳過此文。

隱藏在內(nèi)置鎖下的基本問題

內(nèi)置鎖是JVM提供的最便捷的線程同步工具，在代碼塊或方法聲明上添加synchronized關(guān)鍵字即可使用內(nèi)置鎖。使用內(nèi)置鎖能夠簡(jiǎn)化并發(fā)模型；隨著JVM的升級(jí)，幾乎不需要修改代碼，就可以直接享受JVM在內(nèi)置鎖上的優(yōu)化成果。從簡(jiǎn)單的重量級(jí)鎖，到逐漸膨脹的鎖分配策略，使用了多種優(yōu)化手段解決隱藏在內(nèi)置鎖下的基本問題。

重量級(jí)鎖

內(nèi)置鎖在Java中被抽象為監(jiān)視器鎖（monitor）。在JDK 1.6之前，監(jiān)視器鎖可以認(rèn)為直接對(duì)應(yīng)底層操作系統(tǒng)中的互斥量（mutex）。這種同步方式的成本非常高，包括系統(tǒng)調(diào)用引起的內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)切換、線程阻塞造成的線程切換等。因此，后來稱這種鎖為“重量級(jí)鎖”。

自旋鎖

首先，內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)的切換上不容易優(yōu)化。但通過自旋鎖，可以減少線程阻塞造成的線程切換（包括掛起線程和恢復(fù)線程）。

如果鎖的粒度小，那么鎖的持有時(shí)間比較短（盡管具體的持有時(shí)間無法得知，但可以認(rèn)為，通常有一部分鎖能滿足上述性質(zhì)）。那么，對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)這些鎖的而言，因?yàn)殒i阻塞造成線程切換的時(shí)間與鎖持有的時(shí)間相當(dāng)，減少線程阻塞造成的線程切換，能得到較大的性能提升。具體如下：

• 當(dāng)前線程競(jìng)爭(zhēng)鎖失敗時(shí)，打算阻塞自己
• 不直接阻塞自己，而是自旋（空等待，比如一個(gè)空的有限for循環(huán)）一會(huì)
• 在自旋的同時(shí)重新競(jìng)爭(zhēng)鎖
• 如果自旋結(jié)束前獲得了鎖，那么鎖獲取成功；否則，自旋結(jié)束后阻塞自己

如果在自旋的時(shí)間內(nèi)，鎖就被舊owner釋放了，那么當(dāng)前線程就不需要阻塞自己（也不需要在未來鎖釋放時(shí)恢復(fù)），減少了一次線程切換。

“鎖的持有時(shí)間比較短”這一條件可以放寬。實(shí)際上，只要鎖競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)間比較短（比如線程1快釋放鎖的時(shí)候，線程2才會(huì)來競(jìng)爭(zhēng)鎖），就能夠提高自旋獲得鎖的概率。這通常發(fā)生在鎖持有時(shí)間長(zhǎng)，但競(jìng)爭(zhēng)不激烈的場(chǎng)景中。

缺點(diǎn)

• 單核處理器上，不存在實(shí)際的并行，當(dāng)前線程不阻塞自己的話，舊owner就不能執(zhí)行，鎖永遠(yuǎn)不會(huì)釋放，此時(shí)不管自旋多久都是浪費(fèi)；進(jìn)而，如果線程多而處理器少，自旋也會(huì)造成不少無謂的浪費(fèi)。
• 自旋鎖要占用CPU，如果是計(jì)算密集型任務(wù)，這一優(yōu)化通常得不償失，減少鎖的使用是更好的選擇。
• 如果鎖競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)間比較長(zhǎng)，那么自旋通常不能獲得鎖，白白浪費(fèi)了自旋占用的CPU時(shí)間。這通常發(fā)生在鎖持有時(shí)間長(zhǎng)，且競(jìng)爭(zhēng)激烈的場(chǎng)景中，此時(shí)應(yīng)主動(dòng)禁用自旋鎖。

使用-XX:-UseSpinning參數(shù)關(guān)閉自旋鎖優(yōu)化；-XX:PreBlockSpin參數(shù)修改默認(rèn)的自旋次數(shù)。

自適應(yīng)自旋鎖

自適應(yīng)意味著自旋的時(shí)間不再固定了，而是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定：

• 如果在同一個(gè)鎖對(duì)象上，自旋等待剛剛成功獲得過鎖，并且持有鎖的線程正在運(yùn)行中，那么虛擬機(jī)就會(huì)認(rèn)為這次自旋也很有可能再次成功，進(jìn)而它將允許自旋等待持續(xù)相對(duì)更長(zhǎng)的時(shí)間，比如100個(gè)循環(huán)。
• 相反的，如果對(duì)于某個(gè)鎖，自旋很少成功獲得過，那在以后要獲取這個(gè)鎖時(shí)將可能減少自旋時(shí)間甚至省略自旋過程，以避免浪費(fèi)處理器資源。

自適應(yīng)自旋解決的是“鎖競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間不確定”的問題。JVM很難感知到確切的鎖競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間，而交給用戶分析就違反了JVM的設(shè)計(jì)初衷。自適應(yīng)自旋假定不同線程持有同一個(gè)鎖對(duì)象的時(shí)間基本相當(dāng)，競(jìng)爭(zhēng)程度趨于穩(wěn)定，因此，可以根據(jù)上一次自旋的時(shí)間與結(jié)果調(diào)整下一次自旋的時(shí)間。

缺點(diǎn)

然而，自適應(yīng)自旋也沒能徹底解決該問題，如果默認(rèn)的自旋次數(shù)設(shè)置不合理（過高或過低），那么自適應(yīng)的過程將很難收斂到合適的值。

輕量級(jí)鎖

自旋鎖的目標(biāo)是降低線程切換的成本。如果鎖競(jìng)爭(zhēng)激烈，我們不得不依賴于重量級(jí)鎖，讓競(jìng)爭(zhēng)失敗的線程阻塞；如果完全沒有實(shí)際的鎖競(jìng)爭(zhēng)，那么申請(qǐng)重量級(jí)鎖都是浪費(fèi)的。輕量級(jí)鎖的目標(biāo)是，減少無實(shí)際競(jìng)爭(zhēng)情況下，使用重量級(jí)鎖產(chǎn)生的性能消耗，包括系統(tǒng)調(diào)用引起的內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)切換、線程阻塞造成的線程切換等。

顧名思義，輕量級(jí)鎖是相對(duì)于重量級(jí)鎖而言的。使用輕量級(jí)鎖時(shí)，不需要申請(qǐng)互斥量，僅僅將Mark Word中的部分字節(jié)CAS更新指向線程棧中的Lock Record，如果更新成功，則輕量級(jí)鎖獲取成功，記錄鎖狀態(tài)為輕量級(jí)鎖；否則，說明已經(jīng)有線程獲得了輕量級(jí)鎖，目前發(fā)生了鎖競(jìng)爭(zhēng)（不適合繼續(xù)使用輕量級(jí)鎖），接下來膨脹為重量級(jí)鎖。

Mark Word是對(duì)象頭的一部分；每個(gè)線程都擁有自己的線程棧（虛擬機(jī)棧），記錄線程和函數(shù)調(diào)用的基本信息。二者屬于JVM的基礎(chǔ)內(nèi)容，此處不做介紹。

當(dāng)然，由于輕量級(jí)鎖天然瞄準(zhǔn)不存在鎖競(jìng)爭(zhēng)的場(chǎng)景，如果存在鎖競(jìng)爭(zhēng)但不激烈，仍然可以用自旋鎖優(yōu)化，自旋失敗后再膨脹為重量級(jí)鎖。

缺點(diǎn)

同自旋鎖相似：

• 如果鎖競(jìng)爭(zhēng)激烈，那么輕量級(jí)將很快膨脹為重量級(jí)鎖，那么維持輕量級(jí)鎖的過程就成了浪費(fèi)。

偏向鎖

在沒有實(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。

“偏向”的意思是，偏向鎖假定將來只有第一個(gè)申請(qǐng)鎖的線程會(huì)使用鎖（不會(huì)有任何線程再來申請(qǐng)鎖），因此，只需要在Mark Word中CAS記錄owner（本質(zhì)上也是更新，但初始值為空），如果記錄成功，則偏向鎖獲取成功，記錄鎖狀態(tài)為偏向鎖，以后當(dāng)前線程等于owner就可以零成本的直接獲得鎖；否則，說明有其他線程競(jìng)爭(zhēng)，膨脹為輕量級(jí)鎖。

偏向鎖無法使用自旋鎖優(yōu)化，因?yàn)橐坏┯衅渌€程申請(qǐng)鎖，就破壞了偏向鎖的假定。

缺點(diǎn)

同樣的，如果明顯存在其他線程申請(qǐng)鎖，那么偏向鎖將很快膨脹為輕量級(jí)鎖。

不過這個(gè)副作用已經(jīng)小的多。

如果需要，使用參數(shù)-XX:-UseBiasedLocking禁止偏向鎖優(yōu)化（默認(rèn)打開）。

小結(jié)

偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖分配和膨脹的詳細(xì)過程見后。會(huì)涉及一些Mark Word與CAS的知識(shí)。

偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖適用于不同的并發(fā)場(chǎng)景：

• 偏向鎖：無實(shí)際競(jìng)爭(zhēng)，且將來只有第一個(gè)申請(qǐng)鎖的線程會(huì)使用鎖。
• 輕量級(jí)鎖：無實(shí)際競(jìng)爭(zhēng)，多個(gè)線程交替使用鎖；允許短時(shí)間的鎖競(jìng)爭(zhēng)。
• 重量級(jí)鎖：有實(shí)際競(jìng)爭(zhēng)，且鎖競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間長(zhǎng)。

另外，如果鎖競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間短，可以使用自旋鎖進(jìn)一步優(yōu)化輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖的性能，減少線程切換。

如果鎖競(jìng)爭(zhēng)程度逐漸提高（緩慢），那么從偏向鎖逐步膨脹到重量鎖，能夠提高系統(tǒng)的整體性能。

鎖分配和膨脹過程

重申，這部分主要是根據(jù)網(wǎng)上的多方資料整理。核心是這位巨巨整理的流程圖，相當(dāng)詳細(xì)，基本符合邏輯。

前面講述了內(nèi)置鎖在使用過程中的一些基本問題和解決方案，實(shí)現(xiàn)原理一筆帶過。詳細(xì)的鎖分配和膨脹過程如下：

image.png

圖中有一處疑問：

按照?qǐng)D中流程，如果發(fā)現(xiàn)鎖已經(jīng)膨脹為重量級(jí)鎖，就直接使用互斥量mutex阻塞當(dāng)前線程。

然而，自旋鎖的一大好處就是減少線程切換的開銷。在這里沒有必要直接阻塞當(dāng)前線程，大可以像輕量級(jí)鎖一樣，自旋一會(huì)，失敗了再阻塞。

特別說明兩點(diǎn)：

• CAS記錄owner時(shí)，expected == null，newValue == ownerThreadId，因此，只有第一個(gè)申請(qǐng)偏向鎖的線程能夠返回成功，后續(xù)線程都必然失敗（部分線程檢測(cè)到可偏向，同時(shí)嘗試CAS記錄owner）。
• 內(nèi)置鎖只能沿著偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖的順序逐漸膨脹，不能“收縮”。這基于JVM的另一個(gè)假定，“一旦破壞了上一級(jí)鎖的假定，就認(rèn)為該假定以后也必不成立”。

另外，當(dāng)重量級(jí)鎖被解除后，需要喚醒一個(gè)被阻塞的線程，這部分邏輯與ReentrantLock基本相同，詳見源碼|并發(fā)一枝花之ReentrantLock與AQS（1）：lock、unlock。

簡(jiǎn)化版

上圖記載的很詳細(xì)，也有Mark Word的圖解。看懂上圖后，再來看《深入理解Java虛擬機(jī)：JVM高級(jí)特性與最佳實(shí)踐（第2版）》中的簡(jiǎn)化版流程圖就能看懂了：

image.png

挖坑：

簡(jiǎn)化版中指出了重偏向過程。這一過程對(duì)于性能優(yōu)化和膨脹過程都非常重要；但如果考慮重偏向的話，可能上述特別說明的內(nèi)容就不成立了。要整理的筆記太多啦時(shí)間不夠啊，猴子選擇暫時(shí)放棄這個(gè)問題，，，恩，挖個(gè)坑，以后再追源碼填坑。

重偏向和epoch的作用參考：

• BiasedLocking模式下markOop中位域epoch的根本作用是什么？

參考:

• Java Synchronised機(jī)制
• Java偏向鎖是如何撤銷的？

本文鏈接：淺談偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖
作者：猴子007
出處：https://monkeysayhi.github.io
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