浅谈Java锁的膨胀过程以及一致性哈希对锁膨胀的影响
1、锁优化
在JDK6之前，通过synchronized来实现同步效率是很低的，被synchronized包裹的代码块经过javac编译后，会在代码块前后加上monitorenter和monitorexit字节码指令，被synchronized修饰的方法则会被加上ACC_SYNCHRONIZED标识，不论是在字节码中如何表示，作用和功能都是一样的，线程要想执行同步代码块或同步方法，首先需要竞争锁。
synchronized保证了任意时刻最多只有一个线程可以竞争到锁，那么竞争不到锁的的线程该如何处理呢？
在JDK6之前，Java直接通过OS级别的互斥量(Mutex)来实现同步，获取不到锁的线程被阻塞挂起，直到持有锁的线程释放锁后再将其唤醒，这需要OS频繁的将线程从用户态切换到核心态，这个切换过程开销是很大的，OS需要暂停原线程并保存数据，唤醒新线程并恢复数据，因此synchronized也被称为“重量级锁”。
也正是由于性能原因，开发者慢慢摈弃了synchronized，投入ReentrantLock的怀抱。
官方意识到这个问题以后，便将“高效并发”作为JDK6的一个重要改进项目，经过开发团队的重重优化，如今synchronized的性能已经和ReentrantLock保持在一个数量级了，虽然还是慢一丢丢，但是官方表示未来synchronized仍然有优化的余地。
1.1、锁消除
设计一个类时，考虑到存在并发安全问题，往往会对代码块上锁。
但是有时候这个被设计为“线程安全”的类在使用时压根就不存在多线程竞争，那么还有什么理由加锁呢？
锁消除优化得益于逃逸分析技术的成熟，即时编译器在运行时会对代码进行扫描，会对不存在共享数据竞争的锁消除。
例如：在方法中(栈内存线程私有)实例化一个线程安全的类，该实例既没有传递给其他方法，又没有作为对象返回出去(没有发生逃逸)，那么JVM就会对进行锁消除。
如下代码，尽管StringBuffer的append()是被synchronized修饰的，但是不存在线程竞争，锁会消除。
public String method(){
StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append("1");//append()是被synchronized修饰的
sb.append("2");
return sb.toString();
}
1.2、锁粗化
由于锁的竞争和释放开销比较大，如果代码中对锁进行了频繁的竞争和释放，那么JVM会进行优化，将锁的范围适当扩大。
如下代码，在循环内使用synchronized，JVM锁粗化后，会将锁范围扩大到循环外。
public void method(){
for (int i= 0; i < 100; i++) {
synchronized (this){
...
}
}
}
1.3、自旋锁
当有多个线程在竞争同一把锁时，竞争失败的线程如何处理？
两种情况：
- 将线程挂起，锁释放后再将其唤醒。
- 线程不挂起，进行自旋，直到竞争成功。
如果锁竞争非常激烈，且短时间得不到释放，那么将线程挂起效率会更高，因为竞争失败的线程不断自旋会造成CPU空转，浪费性能。
如果锁竞争并不激烈，且锁会很快得到释放，那么自旋效率会更高。因为将线程挂起和唤醒是一个开销很大的操作。
自旋锁的优化是针对“锁竞争不激烈，且会很快释放”的场景，避免了OS频繁挂起和唤醒线程。
1.4、自适应自旋锁
当线程竞争锁失败时，自旋和挂起哪一种更高效？
当线程竞争锁失败时，会自旋10次，如果仍然竞争不到锁，说明锁竞争比较激烈，继续自旋会浪费性能，JVM就会将线程挂起。
在JDK6之前，自旋的次数通过JVM参数-XX:PreBlockSpin设置，但是开发者往往不知道该设置多少比较合适，于是在JDK6中，对其进行了优化，加入了“自适应自旋锁”。
自适应自旋锁的大致原理：线程如果自旋成功了，那么下次自旋的最大次数会增加，因为JVM认为既然上次成功了，那么这一次也很大概率会成功。
反之，如果很少会自旋成功，那么下次会减少自旋的次数甚至不自旋，避免CPU空转。
1.5、锁膨胀
除了上述几种优化外，JDK6加入了新型的锁机制，不直接采用OS级的“重量级锁”，锁类型分为：偏向锁、轻量级锁、重量级锁。随着锁竞争的激烈程度不断膨胀，大大提升了竞争不太激烈的同步性能。
“synchronized锁的是对象，而非代码！”
每一个Java对象，在JVM中是存在对象头(Object Header)的，对象头中又分Mark Word和Klass Pointer，其中Mark Word就保存了对象的锁状态信息，其结构如下图所示：
无锁：初始状态
一个对象被实例化后，如果还没有被任何线程竞争锁，那么它就为无锁状态(01)。
偏向锁：单线程竞争
当线程A第一次竞争到锁时，通过CAS操作修改Mark Word中的偏向线程ID、偏向模式。如果不存在其他线程竞争，那么持有偏向锁的线程将永远不需要进行同步。
轻量级锁：多线程竞争，但是任意时刻最多只有一个线程竞争
如果线程B再去竞争锁，发现偏向线程ID不是自己，那么偏向模式就会立刻不可用。即使两个线程不存在竞争关系(线程A已经释放，线程B再去获取)，也会升级为轻量级锁(00)。
重量级锁：同一时刻多线程竞争
一旦轻量级锁CAS修改失败，说明存在多线程同时竞争锁，轻量级锁就不适用了，必须膨胀为重量级锁(10)。此时Mark Word存储的就是指向重量级锁(互斥量)的指针，后面等待锁的线程必须进入阻塞状态。
2、锁膨胀实战
说了这么多，理论终归是理论，不如实战一把来的直接。
通过编写一些多线程竞争代码，以及打印对象的头信息，来分析哪些情况下锁会膨胀，以及膨胀成哪种类型的锁。
2.1、jol工具
openjdk提供了jol工具，可以打印对象的内存布局信息，依赖如下：
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.9</version>
</dependency>
2.2、锁膨胀测试代码
程序启动时先sleep5秒是为了等待偏向锁系统启动。
编写一段锁逐步膨胀的测试代码，如下所示：
public class LockTest {
static class Lock{}
public static void main(String[] args) {
sleep(5000);
Lock lock = new Lock();
System.err.println("无锁");
print(lock);
synchronized (lock) {
//main线程首次竞争锁，可偏向
System.err.println("偏向锁");
print(lock);
}
new Thread(()->{
synchronized (lock){
//线程A来竞争，偏向线程ID不是自己，升级为：轻量级锁
System.err.println("轻量级锁");
print(lock);
}
},"Thread-A").start();
sleep(2000);
new Thread(()->{
synchronized (lock){
sleep(1000);
}
},"Thread-B").start();
//确保线程B启动并获得锁，sleep 100毫秒
sleep(100);
synchronized (lock){
//main线程竞争时，线程B还未释放，多线程同时竞争，升级为：重量级锁
System.err.println("重量级锁");
print(lock);
}
}
static void print(Object o){
System.err.println("==========对象信息开始...==========");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
//jol异步输出，防止打印重叠，sleep1秒
sleep(1000);
System.err.println("==========对象信息结束...==========");
}
static void sleep(long l){
try {
Thread.sleep(l);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
2.3、输出分析
运行后分析一下控制台输出信息，这里贴上截图并写上注释：
无锁
偏向锁
轻量级锁
重量级锁
以上，就是JVM中锁逐步膨胀的过程，另外：锁不支持回退撤销。
2.4、锁释放
偏向锁是不会主动释放的，只要没有其他线程竞争，会永远偏向持有锁的线程，这样在以后的执行中，都不用再进行同步处理了，节省了同步开销。
public static void main(String[] args) {
sleep(5000);
Lock lock = new Lock();
synchronized (lock){
System.err.println("Main线程首次竞争锁");
print(lock);
}
System.out.println();
sleep(1000);
System.err.println("同步代码块退出以后");
print(lock);
}
轻量级和重量级锁均会主动释放，这里只贴出轻量级锁。
public static void main(String[] args) {
sleep(5000);
Lock lock = new Lock();
synchronized (lock){
//偏向锁
}
new Thread(()->{
synchronized (lock){
System.err.println("轻量级锁");
print(lock);
}
},"Thread-A").start();
sleep(5000);
System.err.println("\n线程A释放锁后");
print(lock);
}
重量级锁类似，这里就不贴测试结果了。
3、一致性哈希对锁膨胀的影响
一个对象如果计算过哈希码，就应该一直保持该值不变(强烈推荐但不强制，因为用户可以重载hashCode()方法按自己的意愿返回哈希码)。
在Java中，如果类没有重写hashCode()，那么会自动继承自Object::hashCode()，Object::hashCode()就是一致性哈希，只要计算过一次，就会将哈希码写入到对象头中，且永远不会改变。
和具体的哈希算法有关，JVM里有五种哈希算法，通过参数
-XX:hashCode=[0|1|2|3|4]指定。
只要对象计算过一致性哈希，偏向模式就置为0了，也就意味着该对象锁不能再偏向了，最低也会膨胀会轻量级锁。
如果对象锁处于偏向模式时遇到计算一致性哈希请求，那么会跳过轻量级锁模式，直接膨胀为重量级锁。
锁膨胀为轻量级或重量级锁后，Mark Word中保存的分别是线程栈帧里的锁记录指针和重量级锁指针，已经没有位置再保存哈希码，GC年龄了，那么这些信息被移动到哪里去了呢？
升级为轻量级锁时，JVM会在当前线程的栈帧中创建一个锁记录(Lock Record)空间，用于存储锁对象的Mark Word拷贝，哈希码和GC年龄自然保存在此，释放锁后会将这些信息写回到对象头。
升级为重量级锁后，Mark Word保存的重量级锁指针，代表重量级锁的ObjectMonitor类里有字段记录无锁状态下的Mark Word，锁释放后也会将信息写回到对象头。
代码实战，跳过偏向锁，直接膨胀轻量级锁
public static void main(String[] args) {
sleep(5000);
Lock lock = new Lock();
//没有重写，一致性哈希，重写后无效
lock.hashCode();
synchronized (lock){
System.err.println("本应是偏向锁，但是由于计算过一致性哈希，会直接膨胀为轻量级锁");
print(lock);
}
}
偏向锁过程中遇到一致性哈希计算请求，立马撤销偏向模式，膨胀为重量级锁
public static void main(String[] args) {
sleep(5000);
Lock lock = new Lock();
synchronized (lock){
//没有重写，一致性哈希，重写后无效
lock.hashCode();
System.err.println("偏向锁过程中遇到一致性哈希计算请求，立马撤销偏向模式，膨胀为重量级锁");
print(lock);
}
}
4、锁性能测试
这里只做了一个简单的测试，实际应用环境比测试环境要复杂的多。
单线程下，各类型锁性能测试：
public class PerformanceTest {
final static int TEST_COUNT = 100000000;
static class Lock{}
public static void main(String[] args) {
sleep(5000);
System.err.println("各类型锁性能测试");
Lock lock = new Lock();
long start;
long end;
start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < TEST_COUNT; i++) {
}
end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("无锁:" + (end - start));
//偏向锁
biasedLock(lock);
start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < TEST_COUNT; i++) {
synchronized (lock) {}
}
end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("偏向锁耗时:" + (end - start));
//轻量级锁
lightweightLock(lock);
start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < TEST_COUNT; i++) {
synchronized (lock) {}
}
end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("轻量级锁耗时:" + (end - start));
//重量级锁
weightLock(lock);
start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < TEST_COUNT; i++) {
synchronized (lock) {}
}
end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("重量级锁耗时:" + (end - start));
}
static void biasedLock(Object o){
synchronized (o){}
}
//将锁升级为轻量级
static void lightweightLock(Object o){
biasedLock(o);
Thread thread = new Thread(() -> {
synchronized (o) {}
});
thread.start();
try {
thread.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//将锁升级为重量级
static void weightLock(Object o){
lightweightLock(o);
Thread t1 = new Thread(() -> {
synchronized (o){
sleep(1000);
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
synchronized (o){
sleep(1000);
}
});
t1.start();
t2.start();
try {
t1.join();
t2.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
static void sleep(long l){
try {
Thread.sleep(l);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
各类型锁性能测试
无锁:6
偏向锁耗时:252
轻量级锁耗时:2698
重量级锁耗时:1471
由于是单线程，不涉及锁竞争，重量级锁反而比轻量级锁更快，因为不需要OS对线程进行额外的调度，线程无需挂起和唤醒，而且不用拷贝Mark Word。
在多线程竞争环境下，重量级锁性能下降是毋庸置疑的，如下测试：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
System.err.println("多线程测试");
Lock lock = new Lock();
long start;
long end;
//轻量级锁
lightweightLock(lock);
start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < TEST_COUNT; i++) {
synchronized (lock) {}
}
end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("轻量级锁耗时:" + (end - start));
//重量级锁
weightLock(lock);
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < TEST_COUNT / 2; i++) {
synchronized (lock) {}
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < TEST_COUNT / 2; i++) {
synchronized (lock) {}
}
});
t1.start();
t2.start();
start = System.currentTimeMillis();
t1.join();
t2.join();
end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("重量级锁耗时:" + (end - start));
}
多线程测试
轻量级锁耗时:2581
重量级锁耗时:4460
实际的应用环境远比测试环境复杂的多，锁性能和线程竞争的激烈程度、锁占用的时间也有很大关系，测试结果仅供参考。
到此这篇关于浅谈Java锁的膨胀过程以及一致性哈希对锁膨胀的影响的文章就介绍到这了,更多相关Java锁膨胀内容请搜索编程网以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持编程网！
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