本文将简单介绍HotSpot虚拟机中用到的锁优化技术。

自旋锁

互斥同步对性能最大的影响是阻塞的实现,挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成,这些操作给系统的并发性能带来了很大的压力。而在很多应用上,共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间。若实体机上有多个处理器,能让两个以上的线程同时并行执行,我们就可以让后面请求锁的那个线程原地自旋(不放弃CPU时间),看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。为了让线程等待,我们只须让线程执行一个忙循环(自旋),这项技术就是自旋锁。

如果锁长时间被占用,则浪费处理器资源,因此自旋等待的时间必须要有一定的限度,如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁,就应当使用传统的方式去挂起线程了(默认10次)。

JDK1.6引入自适应的自旋锁:自旋时间不再固定,由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上,自旋等待刚刚成功获得过锁,并且持有锁的线程正在运行中,那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功,进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。

锁削除

锁削除是指虚拟机即时编译器在运行时,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削除(主要判定依据来源于逃逸分析的数据支持,如果判断到一段代码中,在堆上的所有数据都不会逃逸出去被其他线程访问到,那就可以把它们当作栈上数据对待,认为它们是线程私有的,同步加锁自然就无须进行)。

锁膨胀

如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁,甚至加锁操作是出现在循环体中的,那即使没有线程竞争,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(膨胀)到整个操作序列的外部(由多次加锁编程只加锁一次)。

轻量级锁

轻量级锁并不是用来代替重量级锁(传统锁机制,如互斥等)的,目的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。

HotSpot虚拟机的对象头(Object Header)分为两部分信息,第一部分用于存储对象自身的运行时数据,如哈希码(HashCode)、GC分代年龄(Generational GC Age)等,这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32个和64个Bits,官方称它为“Mark Word”,它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。另外一部分用于存储指向方法区对象类型数据的指针,如果是数组对象的话,还会有一个额外的部分用于存储数组长度。

Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多的信息,它会根据对象的状态复用自己的存储空间。例如在32位的HotSpot虚拟机中对象未被锁定的状态下,Mark Word的32个Bits空间中的25Bits用于存储对象哈希码(HashCode),4Bits用于存储对象分代年龄,2Bits用于存储锁标志位,1Bit固定为0,在其他状态(轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向)下Mark Word的存储内容如下表所示。

存储内容 标志位 状态
对象Hash值、对象分代年龄 01 未锁定
指向锁记录的指针 00 轻量级锁定
指向重量级锁的指针 10 膨胀(重量级锁定)
空,不记录信息 11 GC标记
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄 01 可偏向

加锁过程

在代码进入同步块的时候,如果此同步对象没有被锁定(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的Mark Word的拷贝(官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀,即Displaced Mark Word),这时候线程堆栈与对象头的状态如下图所示。

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,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的最后两个Bits)将转变为“00”,即表示此对象处于轻量级锁定状态,这时候线程堆栈与对象头的状态如下图所示。

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,如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁,那就可以直接进入同步块继续执行,否则说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两条以上的线程争用同一个锁,那轻量级锁就不再有效,要膨胀为重量级锁,锁标志的状态值变为“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。

解锁过程

解锁过程也是通过CAS操作来进行的,如果对象的Mark Word仍然指向着线程的锁记录,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过获取该锁,那就要在释放锁的同时,唤醒被挂起的线程。

轻量级锁小结

轻量级锁能提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分的锁,在整个同步周期内都是不存在竞争的”,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,但如果存在锁竞争,除了互斥量的开销外,还额外发生了CAS操作,因此在有竞争的情况下,轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。

偏向锁

目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语,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。

偏向锁会偏向于第一个获得它的线程(Mark Word中的偏向线程ID信息),如果在接下来的执行过程中,该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(启用参数-XX:+UseBiasedLocking,JDK 1.6的默认值),当锁对象第一次被线程获取的时候,虚拟机将会把对象头中的标志位设为“01”,即偏向模式。同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的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(例如Locking、Unlocking及对Mark Word的Update等)。    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(标志位为“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介绍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的关系如下图所示。

偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能。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都总是被多个不同的线程访问,那偏向模式就是多余的。

from: https://yq.aliyun.com/articles/49051#

JVM中锁优化,偏向锁、自旋锁、锁消除、锁膨胀相关推荐

  1. 1.6的锁优化(适应性自旋/锁粗化/锁削除/轻量级锁/偏向锁)

    高效并发是JDK 1.6的一个重要主题,HotSpot虚拟机开发团队在这个版本上花费了大量的精力去实现各种锁优化技术,如适应性自旋(Adaptive Spinning).锁削除(Lock Elimin ...

  2. 深入浅出JVM的锁优化案例

    锁优化 适应性自旋(Adaptive Spinning) 线程阻塞的时候,让等待的线程不放弃cpu执行时间,而是执行一个自旋(一般是空循环),这叫做自旋锁. 自旋等待本身虽然避免了线程切换的开销,但它 ...

  3. Java的锁机制--偏向锁、轻量锁、自旋锁、重量锁

    基础知识 线程切换代价 Java的线程是映射到操作系统的原生线程之上的,如果阻塞或唤醒一个线程就需要操作系统介入,需要在用户态和内核态之间切换,该切换会消耗大量的系统资源,因为用户态和内核态均有各自专 ...

  4. JVM中的锁(中):锁膨胀和锁消除

    目录 锁膨胀 自旋锁 重量级锁 锁消除 接着上一篇,偏向锁失效后JVM让线程去申请轻量级锁,轻量级锁就是一种乐观思想,举个例子,在写入数据时会先判断这个期间有没有其他线程修改过这个数据,具体方式是读出 ...

  5. 深入理解JVM虚拟机读书笔记——锁优化

    注:本文参考自周志明老师的著作<深入理解Java虚拟机(第3版)>,相关电子书可以关注WX公众号:兴趣使然的草帽路飞,回复 001 获取. 1. Java语言中的线程安全 按照线程安全的& ...

  6. 如何升级jdk_简述面试常见问题的锁升级与锁优化

    上一篇讲了锁与线程安全的关系,讲到jdk经历了几个版本对锁进行了优化,这里简单梳理一下锁优化. 锁升级过程就是锁优化 在JDK最开始的时候synchronized属于重量级的锁,每次加锁都是通过操作系 ...

  7. 深入理解java虚拟机(7)---线程安全  锁优化

    关于线程安全的话题,足可以使用一本书来讲解这些东西.<Java Concurrency in Practice> 就是讲解这些的,在这里 主要还是分析JVM中关于线程安全这块的内容. 1. ...

  8. 深入理解java虚拟机--线程安全与锁优化

    深入理解java虚拟机--线程安全与锁优化 面向过程编程思想和面向对象编程思想 java语言中的线程安全 线程安全的实现方法 锁优化 面向过程编程思想和面向对象编程思想 面向过程编程思想:站在计算机的 ...

  9. 深入理解Java虚拟机(周志明第三版)- 第十三章:线程安全与锁优化

    系列文章目录 第一章: 走近Java 第二章: Java内存区域与内存溢出异常 第三章: Java垃圾收集器与内存分配策略 并发处理的广泛应用是Amdahl定律代替摩尔定律[1]成为计算机性能发展源动 ...

最新文章

  1. 从博客园博问站点迁移ASP.NET Core展望.NET Core
  2. Npm的配置管理及设置代理
  3. linux远程工具自动记住密码,linux – 如何记住/缓存或指定Ansible的私钥密码
  4. Fiddler的钩子hook导致电脑无法连上网络
  5. B. Sifid and Strange Subsequences
  6. 一不小心就踩坑的fail-fast是个什么鬼?
  7. 网络/系统调试维护笔记
  8. MongoDB快速入门(五)- Where子句
  9. Java语言中的----继承(二)
  10. 用什么工具可以制作gif?分享一款在线制作gif动画工具
  11. WPS2019政府版本
  12. 协同过滤推荐算法总结(转载)
  13. 从网易产品出发解读To B营销如何应用增长黑客
  14. LTE网络有关系统消息(MIB/SIB)深度解析
  15. 数学建模 matlab 数据建模基础
  16. 在线生成 latex 表格代码
  17. OC 血压计 蓝牙BLE4.0 链接踩坑开发
  18. 计算机远程共享,用ip地址共享文件可以远程共享吗
  19. 两大权威机构点赞百度AI,“技术为王”时代的中国旗帜
  20. RedHat FC5安装xmms

热门文章

  1. nginx 代理https后,应用redirect https变成http --转
  2. 【数据处理】python变量分箱常见手法:分类型、数值型、卡方、自定义
  3. 【采用】互联网反欺诈体系建设
  4. 看了蚂蚁金服的布局,你或能明白马云为何一定要将支付宝独立了!
  5. 巨杉数据库 CTO 王涛:区块链+数据库,底层技术融合是否带来更大爆发?
  6. 郑风田:老美哪些地儿值得咱们?
  7. 量产 php是什么,php文件怎么打开?下错的?
  8. Apache ZooKeeper - ZK的内存数据 + 持久化事务日志 + 数据快照 初探
  9. 小工匠聊架构-超高并发秒杀系统设计 02_数据的动静分离
  10. Spring-注入参数详解-[通过util命名空间简化集合类型的配置]