Synchronized锁的优化

avatar 2020年08月23日18:42:00 0 172 views

0 前言

JDK1.5之前synchronized是一个重量级锁,相对于j.u.c.Lock,它会显得那么笨重。

随着Javs SE 1.6对synchronized进行的各种优化后,synchronized并不会显得那么重了。

本文主要synchronized的基本使用和锁的优化。

1 基本概念

Synchronized的作用主要有三个

 

Synchronized可以把任何一个非null对象作为"锁"对象监视器(Object Monitor)

 

Synchronized总共有三种用法

  • 当synchronized作用在实例方法时,监视器锁(monitor)便是对象实例(this)
  • 当synchronized作用在静态方法时,监视器锁(monitor)便是对象的Class实例,因为Class数据存在于永久代,因此静态方法锁相当于该类的一个全局锁
  • 当synchronized作用在某一个对象实例时,监视器锁(monitor)便是括号括起来的对象实例


注意:synchronized 内置锁 是一种 对象锁(锁的是对象而非引用变量)。

2 锁的优化

从JDK5引入了现代操作系统新增加的CAS原子操作( JDK5中并没有对synchronized关键字做优化,而是体现在J.U.C中,所以在该版本concurrent包有更好的性能 )。

从JDK6开始,就对synchronized的实现机制进行了较大调整,包括使用JDK5引进的CAS自旋之外,还增加了自适应的CAS自旋、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁这些优化策略。由于此关键字的优化使得性能极大提高,同时语义清晰、操作简单、无需手动关闭,所以推荐在允许的情况下尽量使用此关键字,同时在性能上此关键字还有优化的空间。

锁主要存在四种状态,依次是:无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态。

锁可以从偏向锁升级到轻量级锁,再升级的重量级锁。但是锁的升级是单向的,也就是说只能从低到高升级,不会出现锁的降级

JDK 1.6 中默认是开启偏向锁和轻量级锁的,可以通过-XX:-UseBiasedLocking来禁用偏向锁。

2.1 自旋锁

线程的阻塞和唤醒需要CPU从用户态转为核心态,频繁的阻塞和唤醒对CPU来说是一件负担很重的工作,势必会给系统的并发性能带来很大的压力。同时我们发现在许多应用上面,对象锁的锁状态只会持续很短一段时间,为了这一段很短的时间频繁地阻塞和唤醒线程是非常不值得的

所以引入自旋锁,何谓自旋锁?

所谓自旋锁,就是指当一个线程尝试获取某个锁时,如果该锁已被其他线程占用,就一直循环检测锁是否被释放,而不是进入线程挂起或睡眠状态。

自旋锁适用于锁保护的临界区很小的情况,临界区很小的话,锁占用的时间就很短。自旋等待不能替代阻塞,虽然它可以避免线程切换带来的开销,但是它占用了CPU处理器的时间。如果持有锁的线程很快就释放了锁,那么自旋的效率就非常好,反之,自旋的线程就会白白消耗掉处理的资源,它不会做任何有意义的工作,典型的占着茅坑不拉屎,这样反而会带来性能上的浪费。所以说,自旋等待的时间(自旋的次数)必须要有一个限度,如果自旋超过了定义的时间仍然没有获取到锁,则应该被挂起

自旋锁在JDK 1.4.2中引入,默认关闭,但是可以使用-XX:+UseSpinning开开启,在JDK1.6中默认开启。同时自旋的默认次数为10次,可以通过参数-XX:PreBlockSpin来调整

如果通过参数-XX:PreBlockSpin来调整自旋锁的自旋次数,会带来诸多不便。假如将参数调整为10,但是系统很多线程都是等你刚刚退出的时候就释放了锁(假如多自旋一两次就可以获取锁),是不是很尴尬。于是JDK1.6引入自适应的自旋锁,让虚拟机会变得越来越聪明

2.2 适应性自旋锁

JDK 1.6引入了更加聪明的自旋锁,即自适应自旋锁。所谓自适应就意味着自旋的次数不再是固定的,它是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。那它如何进行适应性自旋呢?

线程如果自旋成功了,那么下次自旋的次数会更加多,因为虚拟机认为既然上次成功了,那么此次自旋也很有可能会再次成功,那么它就会允许自旋等待持续的次数更多。反之,如果对于某个锁,很少有自旋能够成功,那么在以后要或者这个锁的时候自旋的次数会减少甚至省略掉自旋过程,以免浪费处理器资源。

有了自适应自旋锁,随着程序运行和性能监控信息的不断完善,虚拟机对程序锁的状况预测会越来越准确,虚拟机会变得越来越聪明。

2.3 锁消除

为了保证数据的完整性,在进行操作时需要对这部分操作进行同步控制,但是在有些情况下,JVM检测到不可能存在共享数据竞争,这是JVM会对这些同步锁进行锁消除

锁消除的依据是逃逸分析的数据支持

如果不存在竞争,为什么还需要加锁呢?所以锁消除可以节省毫无意义的请求锁的时间。变量是否逃逸,对于虚拟机来说需要使用数据流分析来确定,但是对于程序员来说这还不清楚么?在明明知道不存在数据竞争的代码块前加上同步吗?但是有时候程序并不是我们所想的那样?虽然没有显示使用锁,但是在使用一些JDK的内置API时,如StringBuffer、Vector、HashTable等,这个时候会存在隐形的加锁操作。

比如StringBuffer的append()方法,Vector的add()方法:

public void vectorTest(){
    Vector<String> vector = new Vector<String>();
    for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){
        vector.add(i + "");
    }

    System.out.println(vector);
}​

在运行这段代码时,JVM可以明显检测到变量vector没有逃逸出方法vectorTest()之外,所以JVM可以大胆地将vector内部的加锁操作消除。

 

2.4 锁粗化

在使用同步锁的时候,需要让同步块的作用范围尽可能小—仅在共享数据的实际作用域中才进行同步,这样做的目的是 为了使需要同步的操作数量尽可能缩小,如果存在锁竞争,那么等待锁的线程也能尽快拿到锁

在大多数的情况下,上述观点是正确的。但是如果一系列的连续加锁解锁操作,可能会导致不必要的性能损耗,所以引入锁粗话的概念

锁粗话概念比较好理解,就是将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起,扩展成一个范围更大的锁

如上面实例:

vector每次add的时候都需要加锁操作,JVM检测到对同一个对象(vector)连续加锁、解锁操作,会合并一个更大范围的加锁、解锁操作,即加锁解锁操作会移到for循环之外

 

2.5 偏向锁

偏向锁是JDK6中的重要引进,因为HotSpot作者经过研究实践发现,在大多数情况下,锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一线程多次获得,为了让线程获得锁的代价更低,引进了偏向锁。

偏向锁是在单线程执行代码块时使用的机制,如果在多线程并发的环境下(即线程A尚未执行完同步代码块,线程B发起了申请锁的申请),则一定会转化为轻量级锁或者重量级锁。

在JDK5中偏向锁默认是关闭的,而到了JDK6中偏向锁已经默认开启。如果并发数较大同时同步代码块执行时间较长,则被多个线程同时访问的概率就很大,就可以使用参数-XX:-UseBiasedLocking来禁止偏向锁(但这是个JVM参数,不能针对某个对象锁来单独设置)。

引入偏向锁主要目的是:为了在没有多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径。因为轻量级锁的加锁解锁操作是需要依赖多次CAS原子指令的,而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令(由于一旦出现多线程竞争的情况就必须撤销偏向锁,所以偏向锁的撤销操作的性能损耗也必须小于节省下来的CAS原子指令的性能消耗)。

轻量级锁是为了在线程交替执行同步块时提高性能,而偏向锁则是在只有一个线程执行同步块时进一步提高性能。

那么偏向锁是如何来减少不必要的CAS操作呢?首先我们看下无竞争下锁存在什么问题:

现在几乎所有的锁都是可重入的,即已经获得锁的线程可以多次锁住/解锁监视对象,按照之前的HotSpot设计,每次加锁/解锁都会涉及到一些CAS操作(比如对等待队列的CAS操作),CAS操作会延迟本地调用,因此偏向锁的想法是 一旦线程第一次获得了监视对象,之后让监视对象“偏向”这个线程,之后的多次调用则可以避免CAS操作,说白了就是置个变量,如果发现为true则无需再走各种加锁/解锁流程。

 

2.6 轻量级锁

引入轻量级锁的主要目的是 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。当关闭偏向锁功能或者多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁,则会尝试获取轻量级锁。

 

2.7 重量级锁

Synchronized是通过对象内部的一个叫做 监视器锁(Monitor)来实现的但是监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的。而操作系统实现线程之间的切换这就需要从用户态转换到核心态,这个成本非常高,状态之间的转换需要相对比较长的时间,这就是为什么Synchronized效率低的原因。因此,这种依赖于操作系统Mutex Lock所实现的锁我们称之为 “重量级锁”

3 锁的优劣

各种锁并不是相互代替的,而是在不同场景下的不同选择,绝对不是说重量级锁就是不合适的。每种锁是只能升级,不能降级,即由偏向锁->轻量级锁->重量级锁,而这个过程就是开销逐渐加大的过程。

  1. 如果是单线程使用,那偏向锁毫无疑问代价最小,并且它就能解决问题,连CAS都不用做,仅仅在内存中比较下对象头就可以了;
  2. 如果出现了其他线程竞争,则偏向锁就会升级为轻量级锁;
  3. 如果其他线程通过一定次数的CAS尝试没有成功,则进入重量级锁;

在第3种情况下进入同步代码块就 要做偏向锁建立、偏向锁撤销、轻量级锁建立、升级到重量级锁,最终还是得靠重量级锁来解决问题,那这样的代价就比直接用重量级锁要大不少了。所以使用哪种技术,一定要看其所处的环境及场景,在绝大多数的情况下,偏向锁是有效的,这是基于HotSpot作者发现的“大多数锁只会由同一线程并发申请”的经验规律

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