線(xiàn)程同步器的意義

多線(xiàn)程編程中，有可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)共享、可變資源的情況，這個(gè)資源我們稱(chēng)之其為臨界資源；這種資源可能是：對(duì)象、變量、文件等。由于線(xiàn)程執(zhí)行的過(guò)程是不可控的，所以需要采用同步機(jī)制來(lái)協(xié)同對(duì)對(duì)象可變狀態(tài)的訪(fǎng)問(wèn)。

• 共享：資源可以由多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)（當(dāng)多個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行一個(gè)方法時(shí)，該方法內(nèi)部的局部變量并不是臨界資源，因?yàn)檫@些局部變量是在每個(gè)線(xiàn)程的私有棧中，因此不具有共享性，不會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)程安全問(wèn)題。)
• 可變：資源可以在其生命周期內(nèi)被修改。

Q：怎么解決線(xiàn)程并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)的問(wèn)題?
A：序列化訪(fǎng)問(wèn)臨界資源。即在同一時(shí)刻，只能有一個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)臨界資源，也稱(chēng)作同步互斥訪(fǎng)問(wèn)。
Java中，提供了兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)同步互斥訪(fǎng)問(wèn) synchronized 和 Lock

Synchronized詳解

synchronized內(nèi)置鎖是一種對(duì)象鎖(鎖的是對(duì)象而非引用)，作用粒度是對(duì)象，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)臨界資源的同步互斥訪(fǎng)問(wèn)，是可重入的。

加鎖的方式：

1. 同步實(shí)例方法，鎖是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象
2. 同步類(lèi)方法（靜態(tài)方法），鎖是當(dāng)前類(lèi)對(duì)象
3. 同步代碼塊，鎖是括號(hào)里面的對(duì)象

底層原理：

synchronized是基于JVM內(nèi)置鎖實(shí)現(xiàn)，通過(guò)內(nèi)部對(duì)象Monitor(監(jiān)視器鎖)實(shí)現(xiàn)，基于進(jìn)入與退出Monitor對(duì)象實(shí)現(xiàn)方法與代碼塊同步，監(jiān)視器鎖的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)底層操作系統(tǒng)的Mutex lock（互斥鎖）實(shí)現(xiàn)，它是一個(gè)重量級(jí)鎖性能較低。當(dāng)然，JVM內(nèi)置鎖在1.5之后版本做了重大的優(yōu)化，如鎖粗化（LockCoarsening）、鎖消除（Lock Elimination）、輕量級(jí)鎖（LightweightLocking）、偏向鎖（Biased Locking）、適應(yīng)性自旋（Adaptive Spinning）等技術(shù)來(lái)減少鎖操作的開(kāi)銷(xiāo)，，內(nèi)置鎖的并發(fā)性能已經(jīng)基本與Lock持平。

1. synchronized關(guān)鍵字被編譯成字節(jié)碼后會(huì)被翻譯成monitorenter 和monitorexit 兩條指令分別在同步塊邏輯代碼的起始位置與結(jié)束位置。

synchronized翻譯后指令.png

2. 每個(gè)同步對(duì)象都有一個(gè)自己的Monitor(監(jiān)視器鎖)，鎖狀態(tài)被記錄在每個(gè)對(duì)象的對(duì)象頭（Mark Word）中。加鎖過(guò)程如下圖所示：

加鎖過(guò)程.png

對(duì)象的內(nèi)存布局

HotSpot虛擬機(jī)中，對(duì)象在內(nèi)存中存儲(chǔ)的布局可以分為三塊區(qū)域：對(duì)象頭Header）、實(shí)例數(shù)據(jù)（Instance Data）和對(duì)齊填充（Padding）。

• 對(duì)象頭：比如 hash碼，對(duì)象所屬的年代，對(duì)象鎖，鎖狀態(tài)標(biāo)志，偏向鎖ID，偏向時(shí)間，數(shù)組長(zhǎng)度等
• 實(shí)例數(shù)據(jù)：即創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，對(duì)象中成員變量，方法等
• 對(duì)齊填充：對(duì)象的大小必須是8字節(jié)的整數(shù)倍

對(duì)象內(nèi)存布局.png

對(duì)象頭

HotSpot虛擬機(jī)的對(duì)象頭包括兩部分信息，第一部分是“Mark Word”，用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)， 如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線(xiàn)程持有的鎖、偏向線(xiàn)程ID、偏向時(shí)間戳等等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度在32位和64位的虛擬機(jī)（暫 不考慮開(kāi)啟壓縮指針的場(chǎng)景）中分別為32個(gè)和64個(gè)Bits，官方稱(chēng)它為“Mark Word”。對(duì)象需要存儲(chǔ)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)很多，其實(shí)已經(jīng)超出了32、64位Bitmap結(jié)構(gòu)所能記錄的限度，但是對(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，考慮到虛擬機(jī)的空間效率，Mark Word被設(shè)計(jì)成一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以便在極小的空間內(nèi)存儲(chǔ)盡量多的信息，它會(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，MarkWord的32個(gè)Bits空間中的25Bits用于存儲(chǔ)對(duì)象哈希碼（HashCode），4Bits用于存儲(chǔ)對(duì)象分代年齡，2Bits用于存儲(chǔ)鎖標(biāo)志 位，1Bit固定為0，在其他狀態(tài)（輕量級(jí)鎖定、重量級(jí)鎖定、GC標(biāo)記、可偏向）下對(duì)象的存儲(chǔ)內(nèi)容如下表所示。

32位虛擬機(jī)對(duì)象頭部信息.png

但是如果對(duì)象是數(shù)組類(lèi)型，則需要三個(gè)機(jī)器碼，因?yàn)镴VM虛擬機(jī)可以通過(guò)Java對(duì)象的元數(shù)據(jù)信息確定Java對(duì)象的大小，但是無(wú)法從數(shù)組的元數(shù)據(jù)來(lái)確認(rèn)數(shù)組的大小，所以用一塊來(lái)記錄數(shù)組長(zhǎng)度。
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，但是考慮到虛擬機(jī)的空間效率，Mark Word被設(shè)計(jì)成一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以便在極小的空間內(nèi)存存儲(chǔ)盡量多的數(shù)據(jù)，它會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間，也就是說(shuō)，Mark Word會(huì)隨著程序的運(yùn)行發(fā)生變化，變化狀態(tài)如下（32位虛擬機(jī)）：

對(duì)象頭變化情況.png

內(nèi)置鎖的膨脹升級(jí)過(guò)程

內(nèi)置鎖的狀態(tài)總共有四種，無(wú)鎖狀態(tài)、偏向鎖、輕量級(jí)鎖和重量級(jí)鎖。隨著鎖的競(jìng)爭(zhēng)，鎖可以從偏向鎖升級(jí)到輕量級(jí)鎖，再升級(jí)的重量級(jí)鎖，但是鎖的升級(jí)是單向的，也就是說(shuō)只能從低到高升級(jí)，不會(huì)出現(xiàn)鎖的降級(jí)。

• 偏向鎖
  偏向鎖是Java 6之后加入的新鎖，它是一種針對(duì)加鎖操作的優(yōu)化手段，在大多數(shù)情況下，偏向鎖不僅不存在多線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)，而且總是由同一線(xiàn)程多次獲得，因此為了減少同一線(xiàn)程獲取鎖(會(huì)涉及到一些CAS操作,耗時(shí))的代價(jià)而引入偏向鎖。偏向鎖的核心思想是，如果一個(gè)線(xiàn)程獲得了鎖，那么鎖就進(jìn)入偏向模式，此時(shí)Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)槠蜴i結(jié)構(gòu)，當(dāng)這個(gè)線(xiàn)程再次請(qǐng)求鎖時(shí)，無(wú)需再做任何同步操作，即獲取鎖的過(guò)程，這樣就省去了大量有關(guān)鎖申請(qǐng)的操作，從而也就提供程序的性能。所以，對(duì)于沒(méi)有鎖競(jìng)爭(zhēng)的場(chǎng)合，偏向鎖有很好的優(yōu)化效果，畢竟極有可能連續(xù)多次是同一個(gè)線(xiàn)程申請(qǐng)相同的鎖。但是對(duì)于鎖競(jìng)爭(zhēng)比較激烈的場(chǎng)合，偏向鎖就失效了，因?yàn)檫@樣場(chǎng)合極有可能每次申請(qǐng)鎖的線(xiàn)程都是不相同的，因此這種場(chǎng)合下不應(yīng)該使用偏向鎖，否則會(huì)得不償失，需要注意的是，偏向鎖失敗后，并不會(huì)立即膨脹為重量級(jí)鎖，而是先升級(jí)為輕量級(jí)鎖。
• 輕量級(jí)鎖
  倘若偏向鎖失敗，虛擬機(jī)并不會(huì)立即升級(jí)為重量級(jí)鎖，它還會(huì)嘗試使用一種稱(chēng)為輕量級(jí)鎖的優(yōu)化手段(1.6之后加入的)，此時(shí)Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)檩p量級(jí)鎖的結(jié)構(gòu)。輕量級(jí)鎖能夠提升程序性能的依據(jù)是“對(duì)絕大部分的鎖，在整個(gè)同步周期內(nèi)都不存在競(jìng)爭(zhēng)”，注意這是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。需要了解的是，輕量級(jí)鎖所適應(yīng)的場(chǎng)景是線(xiàn)程交替執(zhí)行同步塊的場(chǎng)合，如果存在同一時(shí)間訪(fǎng)問(wèn)同一鎖的場(chǎng)合，就會(huì)導(dǎo)致輕量級(jí)鎖膨脹為重量級(jí)鎖。
• 自旋鎖
  輕量級(jí)鎖失敗后，虛擬機(jī)為了避免線(xiàn)程真實(shí)地在操作系統(tǒng)層面掛起，還會(huì)進(jìn)行一項(xiàng)稱(chēng)為自旋鎖的優(yōu)化手段。這是基于在大多數(shù)情況下，線(xiàn)程持有鎖的時(shí)間都不會(huì)太長(zhǎng)，如果直接掛起操作系統(tǒng)層面的線(xiàn)程可能會(huì)得不償失，畢竟操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程之間的切換時(shí)需要從用戶(hù)態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對(duì)比較長(zhǎng)的時(shí)間，時(shí)間成本相對(duì)較高，因此自旋鎖會(huì)假設(shè)在不久將來(lái)，當(dāng)前的線(xiàn)程可以獲得鎖，因此虛擬機(jī)會(huì)讓當(dāng)前想要獲取鎖的線(xiàn)程做幾個(gè)空循環(huán)(這也是稱(chēng)為自旋的原因)，一般不會(huì)太久，可能是50個(gè)循環(huán)或100循環(huán)，在經(jīng)過(guò)若干次循環(huán)后，如果得到鎖，就順利進(jìn)入臨界區(qū)。如果還不能獲得鎖，那就會(huì)將線(xiàn)程在操作系統(tǒng)層面掛起，這就是自旋鎖的優(yōu)化方式，這種方式確實(shí)也是可以提升效率的。最后沒(méi)辦法也就只能升級(jí)為重量級(jí)鎖了。

鎖粗化

• 如果jvm接收到一連串的對(duì)鎖的鎖定和釋放，那么jvm會(huì)把這些請(qǐng)求整合成對(duì)鎖的一次請(qǐng)求，就叫做鎖的粗化
• 示例demo

    StringBuffer stb = new StringBuffer();
    public void test1(){
        //jvm的優(yōu)化，鎖的粗化
        stb.append("1");
        stb.append("2");
        stb.append("3");
        stb.append("4");
    }
    /**
     *     @Override
     *     @HotSpotIntrinsicCandidate
     *     public synchronized StringBuffer append(String str) {
     *         toStringCache = null;
     *         super.append(str);
     *         return this;
     *     }
     */

• PS:以上四個(gè)append操作會(huì)被虛擬機(jī)整合成對(duì)鎖的一次請(qǐng)求

鎖消除

• 如果同步塊所使用的鎖對(duì)象通過(guò)逃逸分析被證實(shí)只能夠被一個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)，那么JIT編譯器在編譯這個(gè)同步塊的時(shí)候就會(huì)取消對(duì)這部分代碼的同步
• 實(shí)例demo

    public void test2(){
        // jvm的優(yōu)化，JVM不會(huì)對(duì)同步塊進(jìn)行加鎖
        synchronized (new Object()) {
            // 很多邏輯
            // jvm是否會(huì)加鎖？
        }
    }

• 線(xiàn)程每次訪(fǎng)問(wèn)到以上代碼的同步代碼塊的時(shí)候，都會(huì)申請(qǐng)一個(gè)新的鎖并進(jìn)入同步代碼段，相當(dāng)于沒(méi)有加鎖，此時(shí)虛擬機(jī)編譯時(shí)會(huì)優(yōu)化這樣的邏輯，并不會(huì)申請(qǐng)互斥量對(duì)其進(jìn)行加鎖。

逃逸分析

• 逃逸分析就是 分析Java對(duì)象的動(dòng)態(tài)作用域。當(dāng)一個(gè)對(duì)象被定義之后，可能會(huì)被外部對(duì)象引用，稱(chēng)之為 方法逃逸 ；也有可能被其他線(xiàn)程所引用，稱(chēng)之為 線(xiàn)程逃逸
• 實(shí)例demo

public class StackAllocTest {
    /**
     * 進(jìn)行兩種測(cè)試
     * 關(guān)閉逃逸分析，同時(shí)調(diào)大堆空間，避免堆內(nèi)GC的發(fā)生，如果有GC信息將會(huì)被打印出來(lái)
     * VM運(yùn)行參數(shù)：-Xmx4G -Xms4G -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
     *
     * 開(kāi)啟逃逸分析
     * VM運(yùn)行參數(shù)：-Xmx4G -Xms4G -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
     *
     * 執(zhí)行main方法后
     * jps 查看進(jìn)程
     * jmap -histo 進(jìn)程ID
     *
     */
    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 500000; i++) {
            alloc();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        //查看執(zhí)行時(shí)間
        System.out.println("cost-time " + (end - start) + " ms");
        try {
            Thread.sleep(100000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
    }
    private static Person alloc() {
        // Jit對(duì)編譯時(shí)會(huì)對(duì)代碼進(jìn)行 逃逸分析
        // 并不是所有對(duì)象存放在堆區(qū)，有的一部分存在線(xiàn)程?？臻g
        Person person = new Person();
        return person;
    }

    static class Person {
        private String name;
        private int age;
    }
}

開(kāi)啟逃逸分析執(zhí)行結(jié)果.png

這時(shí)會(huì)被JIT優(yōu)化所以并沒(méi)有初始化夠500000個(gè)對(duì)象。

關(guān)閉逃逸分析執(zhí)行結(jié)果.png

關(guān)閉后不會(huì)發(fā)生線(xiàn)程逃逸，所以老老實(shí)實(shí)初始化完500000個(gè)對(duì)象。

1. 同步省略。如果一個(gè)對(duì)象被發(fā)現(xiàn)只能從一個(gè)線(xiàn)程被訪(fǎng)問(wèn)到，那么對(duì)于這個(gè)對(duì)象的操作可以不考慮同步。
2. 將堆分配轉(zhuǎn)化為棧分配。如果一個(gè)對(duì)象在子程序中被分配，要使指向該對(duì)象的指針永遠(yuǎn)不會(huì)逃逸，對(duì)象可能是棧分配的候選，而不是堆分配。
3. 分離對(duì)象或標(biāo)量替換。有的對(duì)象可能不需要作為一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存結(jié)構(gòu)存在也可以被訪(fǎng)問(wèn)到，那么對(duì)象的部分（或全部）可以不存儲(chǔ)在內(nèi)存，而是存儲(chǔ)在CPU寄存器中

參考：https://www.hollischuang.com/archives/2583