【多線程】Synchronized的優化

對synchronized不太了解的同學，可以先參考我的另外一篇文章​​【多線程】淺說Synchronized​​

早期版本synchronized性能較低的原因

在早期版本中，synchronized是一種重量級鎖，其底層由Monitor實作，而Monitor又依賴于作業系統的Mutex Lock。線程擷取到鎖後，需要切換狀态，而作業系統在實作線程的切換時，需要從使用者态轉為核心态，這是一個非常耗時，非常重的操作。是以在之前，synchronized是一種重量級鎖。

JDK1.6之後對synchronized的優化

現在的synchronized已經沒有之前那麼笨重了，在虛拟機層面，對synchronized做了較大的優化，引入了自旋鎖、适應性自旋鎖、鎖消除、鎖粗化，可以減少鎖操作的開銷。

自旋鎖

有時候，擷取到鎖的線程執行的操作耗時極短，為了這麼點微不足道的時間，将接下來等待鎖的線程挂起非常的不值得。挂起線程的操作需要在核心态完成，從使用者态切換到核心态，耗時比較嚴重。

是以現在增加這麼一樣操作，讓等待鎖的線程執行忙循環等待，不停地去嘗試擷取鎖，像一種自旋的操作，故稱之為自旋鎖。

如果之前線程占有鎖的時間極短，那麼自旋鎖的性能将非常的好。但若是占有鎖的時間較長，那麼自旋鎖将白白消耗CPU的資源，在自旋次數到了之後，将會被挂起。

在jdk1.4的時候，自旋鎖預設關閉；jdk1.6之後，自旋鎖預設開啟，預設自旋10次，當然也可以使用PreBlockSpin來修改自旋次數。

自旋鎖的痛點在于：無法在不同場景中，确定出一個可靠的自旋次數。是以，衍生出來适應性自旋鎖。

适應性自旋鎖

在适應性自旋鎖中，自旋的次數不再固定，一般由之前自旋的次數和鎖持有者的狀态決定。

如果在一個鎖對象上，之前的線程都能通過自旋來擷取到鎖，并且沒有超過自旋次數，那麼虛拟機認為，通過自旋擷取到鎖的機率很大，下一次會增加自旋的次數。相反的，如果之前很少有線程通過自旋擷取到鎖，那麼虛拟機會減少自旋的次數，減少到一定次數後，甚至會直接放棄自旋，更新為重量級鎖。

可以看出，适應性自旋鎖十分機智。

鎖消除

從字面意思上可以看出，這是一種直接去除鎖的方法，簡單粗暴。

對于那些根本不可能存在鎖競争卻又包含鎖的情況，虛拟機會直接消除這個鎖，避免無意義的鎖請求。比如我在純單線程中對某個方法或者變量加鎖，或者調用内部實作有鎖的對象（Vector、StringBuffer與HashTable等），虛拟機會直接消除毫無意義的加鎖。

鎖粗化

在上一文中​​【多線程】淺說Synchronized​​，我們談到了synchronized的應用-雙重檢驗鎖的優化過程，強調将加鎖的範圍盡量限制得小一些，直到存在鎖競争的實際區域才加鎖，這樣程式運作更加高效。

但是，如果存在這樣的一種情況：反複的對同一個對象執行加鎖解鎖的操作，也會導緻CPU資源的過度消耗。

鎖粗化，就是将反複的加鎖操作粗化成一個範圍更大的鎖，這樣加鎖隻有一次。

例如，在循環内部，調用StringBuffer的append操作(關于StringBuffer，可以參考我的另外一篇文章​​【JAVA】String、StringBuilder、StringBuffer三者的差別​​)，每次append都需要加鎖，虛拟機檢測到這種情況後，首先會對append脫鎖，然後進行鎖粗化，将鎖的範圍擴大到循環外部。

鎖的狀态

鎖的狀态有以下幾種：

1. 無鎖狀态
2. 偏向鎖狀态
3. 輕量級鎖狀态
4. 重量級鎖狀态

其中，無鎖狀态對應于鎖消除，Monitor對應于重量級鎖，也就是1.6之前的synchronized。

偏向鎖

偏向鎖的核心要義就展現在“偏”字上，這個鎖偏向第一個擷取到它的線程。

在大部分情況下，不存在激烈的鎖競争，總是由同一個線程擷取到該鎖。那麼為了減少同一個線程擷取鎖帶來的開銷，就引入了偏向鎖。

如果一個線程不斷的擷取到了鎖，那麼該鎖就進入偏向鎖狀态。當這個線程再次請求鎖時，無需做任何同步操作，直接擷取到鎖。

當然，偏向鎖适用于基本無鎖競争的情況，當鎖競争激烈時，偏向鎖就失去了作用，會更新為輕量級鎖。

輕量級鎖

在偏向鎖的狀态下，此時又出現了一個線程，與偏向線程競争該鎖，此時該鎖會更新為輕量級鎖。

舉個例子，比如建立一個線程1執行同步print()方法列印奇數，這時候的鎖狀态為偏向鎖。此時，再建立一個線程2同樣執行同步print()方法列印偶數，偏向鎖就會更新為輕量級鎖。線程1列印某個奇數時，線程2并沒有被挂起，而是處于一種自旋狀态，這種自旋效率很高。可是，當我再建立100個線程時，同樣執行同步print()方法，自旋的效率将會變得十分低下，此時輕量級鎖會更新為重量級鎖，即使用Monitor來進行同步。