JUC synchronized优化
在多线程并发编程中synchronized一直是元老级角色，很多人都会称呼它为重量级锁，但是随着Java SE 1.6 对synchronized进行了各种优化之后，有些情况下它并不那么重了，本文详细介绍了Java SE1.6中为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗而引入的偏向锁和轻量级锁，以及锁的存储结构和升级过程。另外，我们还会脑补一下JVM实现synchronized的原理图及自旋锁解释。
| 术语 | 英文 | 说明 |
|---|---|---|
| CAS | Compare and Swap | 比较并设置。用于在硬件层面上提供原子性操作。在 Intel 处理器中，比较并交换通过指令cmpxchg实现。比较是否和给定的数值一致，如果一致则修改，不一致则不修改。 |
Java中的每一个对象都可以作为锁。
- 对于同步方法，锁是当前实例对象。
- 对于静态同步方法，锁是当前对象的Class对象。
- 对于同步方法块，锁是synchronized括号里配置的对象。
当一个线程试图访问同步代码块时，它首先必须得到锁，退出或抛出异常时必须释放锁。那么锁存在哪里呢？锁里面会存储什么信息呢？
JVM规范规定JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，但两者的实现细节不一样。代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现，而方法同步是使用另外一种方式实现的，细节在JVM规范里并没有详细说明，但是方法的同步同样可以使用这两个指令来实现。monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处， JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。任何对象都有一个 monitor 与之关联，当且一个monitor 被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到 monitorenter 指令时，将会尝试获取对象所对应的 monitor 的所有权，即尝试获得对象的锁。
锁存在Java对象头里。如果对象是数组类型，则虚拟机用3个Word（字宽）存储对象头，如果对象是非数组类型，则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中，一字宽等于四字节，即32bit。
| 长度 | 内容 | 说明 |
|---|---|---|
| 32/64bit | Mark Word | 存储对象的hashCode或锁信息等。 |
| 32/64bit | Class Metadata Address | 存储到对象类型数据的指针 |
| 32/64bit | Array length | 数组的长度（如果当前对象是数组） |
Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode，分代年龄和锁标记位。32位JVM的Mark Word的默认存储结构如下：
| 25 bit | 4bit | 1bit是否是偏向锁 | 2bit锁标志位 | |
|---|---|---|---|---|
| 无锁状态 | 对象的hashCode | 对象分代年龄 | 0 | 01 |
在运行期间Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word可能变化为存储以下4种数据：
| 锁状态 | 25 bit | 4bit | 1bit | 2bit | |
|---|---|---|---|---|---|
| 23bit | 2bit | 是否是偏向锁 | 锁标志位 | ||
| 轻量级锁 | 指向栈中锁记录的指针 | 00 | |||
| 重量级锁 | 指向互斥量（重量级锁）的指针 | 10 | |||
| GC标记 | 空 | 11 | |||
| 偏向锁 | 线程ID | Epoch | 对象分代年龄 | 1 | 01 |
在64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的，其存储结构如下：
| 锁状态 | 25bit | 31bit | 1bit | 4bit | 1bit | 2bit |
|---|---|---|---|---|---|---|
| cms_free | 分代年龄 | 偏向锁 | 锁标志位 | |||
| 无锁 | unused | hashCode | 0 | 01 | ||
| 偏向锁 | ThreadID(54bit) Epoch(2bit) | 1 | 01 |
Java SE1.6为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，所以在Java SE1.6里锁一共有四种状态，无锁状态，偏向锁状态，轻量级锁状态和重量级锁状态，它会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率，下文会详细分析。
Hotspot的作者经过以往的研究发现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而引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要花费CAS操作来加锁和解锁，而只需简单的测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁，如果测试成功，表示线程已经获得了锁，如果测试失败，则需要再测试下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁），如果没有设置，则使用CAS竞争锁，如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。
偏向锁的撤销：偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态，如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。下图中的线程1演示了偏向锁初始化的流程，线程2演示了偏向锁撤销的流程。
关闭偏向锁：偏向锁在Java 6和Java 7里是默认启用的，但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活，如有必要可以使用JVM参数来关闭延迟-XX：BiasedLockingStartupDelay = 0。如果你确定自己应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态，可以通过JVM参数关闭偏向锁-XX:-UseBiasedLocking=false，那么默认会进入轻量级锁状态。
轻量级锁加锁：线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。
轻量级锁解锁：轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作来将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。下图是两个线程同时争夺锁，导致锁膨胀的流程图。
因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋（比如获得锁的线程被阻塞住了），一旦锁升级成重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下，其他线程试图获取锁时，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。
| 锁 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 偏向锁 | 加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法比仅存在纳秒级的差距。 | 如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗。 | 适用于只有一个线程访问同步块场景。 |
| 轻量级锁 | 竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度。 | 如果始终得不到锁竞争的线程使用自旋会消耗CPU。 | 追求响应时间。同步块执行速度非常快。 |
| 重量级锁 | 线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU。 | 线程阻塞，响应时间缓慢。 | 追求吞吐量。同步块执行速度较长。 |
- Contention List：所有请求锁的线程将被首先放置到该竞争队列
- Entry List：Contention List中那些有资格成为候选人的线程被移到Entry List
- Wait Set：那些调用wait方法被阻塞的线程被放置到Wait Set
- OnDeck：任何时刻最多只能有一个线程正在竞争锁，该线程称为OnDeck
- Owner：获得锁的线程称为Owner
- !Owner：释放锁的线程
ContentionList并不是一个真正的Queue，而只是一个虚拟队列，原因在于ContentionList是由Node及其next指针逻辑构成，并不存在一个Queue的数据结构。每次新加入Node时都会在队头进行，通过CAS改变第一个节点的的指针为新增节点，同时设置新增节点的next指向后续节点，而取得操作则发生在队尾。显然，该结构其实是个Lock-Free的队列。
EntryList与ContentionList逻辑上同属等待队列，ContentionList会被线程并发访问，为了降低对ContentionList队尾的争用，而建立EntryList。Owner线程在unlock时会从ContentionList中迁移线程到EntryList，并会指定EntryList中的某个线程（一般为Head）为Ready（OnDeck）线程。Owner线程并不是把锁传递给OnDeck线程，只是把竞争锁的权利交给OnDeck，OnDeck线程需要重新竞争锁。这样做虽然牺牲了一定的公平性，但极大的提高了整体吞吐量，在Hotspot中把OnDeck的选择行为称之为“竞争切换”。 OnDeck线程获得锁后即变为owner线程，无法获得锁则会依然留在EntryList中，考虑到公平性，在EntryList中的位置不发生变化（依然在队头）。如果Owner线程被wait方法阻塞，则转移到WaitSet队列；如果在某个时刻被notify/notifyAll唤醒，则再次转移到EntryList。
那些处于ContetionList、EntryList、WaitSet中的线程均处于阻塞状态，阻塞操作由操作系统完成（在Linxu下通过pthread_mutex_lock函数）。线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响锁的性能
缓解上述问题的办法便是自旋，其原理是：当发生争用时，若Owner线程能在很短的时间内释放锁，则那些正在争用线程可以稍微等一等（自旋），在Owner线程释放锁后，争用线程可能会立即得到锁，从而避免了系统阻塞。但Owner运行的时间可能会超出了临界值，争用线程自旋一段时间后还是无法获得锁，这时争用线程则会停止自旋进入阻塞状态（后退）。基本思路就是自旋，不成功再阻塞，尽量降低阻塞的可能性，这对那些执行时间很短的代码块来说有非常重要的性能提高。自旋锁有个更贴切的名字：自旋-指数后退锁，也即复合锁。很显然，自旋在多处理器上才有意义。
还有个问题是，线程自旋时做些啥？其实啥都不做，可以执行几次for循环，可以执行几条空的汇编指令，目的是占着CPU不放，等待获取锁的机会。所以说，自旋是把双刃剑，如果旋的时间过长会影响整体性能，时间过短又达不到延迟阻塞的目的。显然，自旋的周期选择显得非常重要，但这与操作系统、硬件体系、系统的负载等诸多场景相关，很难选择，如果选择不当，不但性能得不到提高，可能还会下降，因此大家普遍认为自旋锁不具有扩展性。
对自旋锁周期的选择上，HotSpot认为最佳时间应是一个线程上下文切换的时间，但目前并没有做到。经过调查，目前只是通过汇编暂停了几个CPU周期，除了自旋周期选择，HotSpot还进行许多其他的自旋优化策略，具体如下：
- 如果平均负载小于CPUs则一直自旋
- 如果有超过(CPUs/2)个线程正在自旋，则后来线程直接阻塞
- 如果正在自旋的线程发现Owner发生了变化则延迟自旋时间（自旋计数）或进入阻塞
- 如果CPU处于节电模式则停止自旋
- 自旋时间的最坏情况是CPU的存储延迟（CPU A存储了一个数据，到CPU B得知这个数据直接的时间差）
- 自旋时会适当放弃线程优先级之间的差异
那synchronized实现何时使用了自旋锁？答案是在线程进入ContentionList时，也即第一步操作前。线程在进入等待队列时首先进行自旋尝试获得锁，如果不成功再进入等待队列。这对那些已经在等待队列中的线程来说，稍微显得不公平。还有一个不公平的地方是自旋线程可能会抢占了Ready线程的锁。自旋锁由每个监视对象维护，每个监视对象一个。
本文一些内容参考了HotSpot源码 。对象头源码markOop.hpp。偏向锁源码biasedLocking.cpp。以及其他源码ObjectMonitor.cpp和BasicLock.cpp。
- 偏向锁
- java-overview-and-java-se6 Synchronization Optimization章节
- Dave Dice “Synchronization in Java SE 6”
- Java SE 6 Performance White Paper 2.1章节
- JVM规范（Java SE 7）
- Java语言规范（JAVA SE7）
- 周志明的《深入理解Java虚拟机》
- Java偏向锁实现原理
- hotspot Synchronization