锁与并发

我们在开发中为了保证多线程环境下程序正常运行，经常会与锁打交道。随着锁使用的越来越频繁，虚拟机也在锁的实现上做了很多优化，接下来我们了解下虚拟机对锁都做了哪些优化。

一.锁的基本概念和实现

锁是多线程开发的重要工具，基本作用使保护临界区资源不会同时被多个线程访问而受到破坏。通过锁，可以让多个线程排队，顺序访问临界区的对象，使对象的状态总是保持一致，这就是锁的作用。

1.对象头和锁

在虚拟机中每个对象都有一个对象头，用于保存对象的信息。对象头中有一个称为Mark Word的部分，它是实现锁的关键。它是一个多功能的数据区，可以存放对象的哈希值，对象年龄，锁的指针等信息。一个对象是否占用锁，占用哪个锁，就记录在这个Mark Word中。

以32位系统为例，Mark Word中有25位比特表示对象的哈希值，4位比特表示对象的年龄，1位比特表示是否为偏向锁，2位比特表示锁的信息。即锁是通过对象头的Mark Word标识来实现的。

二.锁在虚拟机中的实现和优化

在多线程程序中，线程之间的竞争是不可避免的，所以虚拟机需要更高效率的处理多线程的竞争，从而提升整体效率。虚拟机通过一系列的优化来提升锁的效率，降低竞争关系，减少锁的竞争。通过一系列方法如引入偏向锁，轻量级锁，自旋锁，锁消除，锁膨胀等手段，提升整体的效率。

1.偏向锁

HotSpot的作者经过研究发现，大多数情况下，锁不紧不存在多线程竞争，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。

偏向锁的核心思想是，如果程序没有竞争，就取消已经取得锁的线程同步操作。当一个线程获取锁后，这个锁就进入了偏向模式，此时会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，当这个线程再次请求这个锁时，无需再进行相关加锁，解锁操作，节省操作时间。

偏向锁使用了一种等到竞争出现才会释放锁的机制，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。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或者，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置为无所状态，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。

可以通过-XX:+UseBiasedLocking参数启用偏向锁。偏向锁提高了线程之间无竞争情况下的效率，即只有一个线程获取锁的情况下，去掉同步操作。偏向锁在少竞争的情况下，对性能有一定帮助。偏向锁在锁竞争激烈的场合没有什么优化效果，因为大量的竞争会导致持有锁的线程不停切换，锁也很难一直保持在偏向模式。

2.轻量级锁

如果偏向锁失败，Java虚拟机会让线程申请轻量级锁。轻量级锁使用一个称为BasicObjectLock的对象来实现，这个对象内部由一个BasicLock对象和一个持有该锁的Java对象指针组成。BasicObjectLock对象 防止在Java栈的栈帧中，在BasicLock对象内部还维护着displaced_header字段，用于备份对象头部的Mark Word。

(1)轻量级锁加锁

线程在执行同步块之前，JVM会现在当前线程的栈帧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，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，表示其他线程获得锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。

(2)轻量级锁解锁

轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换会到对象头，如果成功表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。

3.锁膨胀

当轻量级锁失败，锁就会膨胀为重量级锁，膨胀为重量级锁后，不会再回到轻量级锁了。

4.自旋锁

自旋锁使线程在没有取得锁时，不被挂起，转而去执行一个空循环，在若干个空循环后，线程如果可以获得锁，则继续执行，如果依然不能获取锁，才会挂起。这样是为了防止线程频繁挂起造成的性能损失。

使用自旋锁后，线程被挂起的几率相对减少，线程执行的连贯性相对加强。因此，对于那些锁金正不是很激烈，锁占用时间很短的并发线程，有一定的积极意义。但对于锁金正激烈，占用时间长的并发程序，自旋锁不紧没有意义，还白白浪费了CPU的时间，浪费系统资源。

5.锁消除

锁消除是虚拟机在编译时，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在的共享资源竞争的锁。通过锁消除，可以节省无意义的请求锁时间。

这里有个问题，如果不存在竞争，为什么还会加锁呢？是因为有时候我们隐式的使用了锁，比如StringBuffer,Vector等工具，我们使用的时候其实是在线程安全的环境下的，所以锁是没有必要的，虚拟机检测到这一点，就会消除锁。

三.锁在应用层的优化

1.减少锁持有的时间

简单来说就是只对有必要的地方加锁，从而减少锁持有的时间，如果我们程序中执行方法A,B,C，其中只有B需要加锁，那么我们就不要再整个程序中加锁，这样可以减少锁持有的时间。即只在必要时进行同步。

2.减小锁粒度

减小锁粒度的典型实现就是ConcurrentHashMap,通过将一把大锁分成多个锁(ConcurrentHashMap里默认是16)来减少锁冲突的情况，这样在最好的情况下可以同时有16个线程来操作ConcurrentHashMap，比Hashtable这种全局一把锁的性能提升很多。

3.锁分离

锁分离可以理解为减小锁粒度的一种，比如一个典型实现是LinkedBlockingQueue，LinkedBlockingQueue的实现中，take()函数和put()函数分别实现了从队列中取得数据和往队列中添加数据的功能。虽然两个函数都对当前队列进行了修改，但是由于两个操作分别作用于队列的前端和微端，所以两者并不冲突，因此这里使用了两把锁来实现这两个方法。

4.锁粗化

通常情况下，为了保证多线程间的有效并发，会要求每个线程持有锁的时间尽量短。但是，如果对同一个锁不停地进行请求，同步和释放，其本身也会消耗宝贵的资源，反而会降低性能。

谓词，虚拟机在遇到一连串连续对同一把锁不断进行请求和释放的操作时，会把所有的锁操作整合成对锁的一次请求，减少对锁的请求同步次数。

此外，现在jdk的很多功能都是基于CAS的无锁方式来实现的，这种方式根本不需要锁，所以性能上比锁要高很多。CAS即为比较并交换(Compare And Swap)，通过循环+CAS可以解决大部分需要用到锁的场景。