十分钟带你深入了解多线程—— Java虚拟机对锁优化所做的努力

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桃花键神 发表于 2022/03/21 22:16:19 2022/03/21
【摘要】 Java虚拟机对锁优化所做的努力作为一款共用平台,JDK本身也为并发程序的性能绞尽脑汁。在JDK内部也想尽一切办法提供并发时的系统吞吐量。这里,我将向大家简单介绍几种JDK内部的“锁”优化策略。 一、锁偏向锁偏向是一种针对加锁操作的优化手段。它的核心思想是:如果一个线程获得了锁,那么锁就进入偏向模式。当这个线程再次请求锁时,无须再做任何同步操作。这样就节省了大量有关锁申请的操作,从而提高了...

Java虚拟机对锁优化所做的努力

  • 作为一款共用平台,JDK本身也为并发程序的性能绞尽脑汁。在JDK内部也想尽一切办法提供并发时的系统吞吐量。这里,我将向大家简单介绍几种JDK内部的“锁”优化策略。

一、锁偏向

  • 锁偏向是一种针对加锁操作的优化手段。它的核心思想是:如果一个线程获得了锁,那么锁就进入偏向模式。当这个线程再次请求锁时,无须再做任何同步操作。这样就节省了大量有关锁申请的操作,从而提高了程序性能。因此,对于几乎没有锁竞争的场合,偏向锁有比较好的优化效果,因为连续多次极有可能是同一个线程请求相同的锁。而对于锁竞争比较激烈的场合,其效果不佳。因为在竞争激烈的场合,最有可能的情况是每次都是不同的线程来请求相同的锁。这样偏向模式会失效,因此还不如不启用偏向锁。使用Java虚拟机参数-XX:+UseBiasedLocking可以开启偏向锁。

二、轻量级锁

  • 如果偏向锁失败,那么虚拟机并不会立即挂起线程,它还会使用一种称为轻量级锁的优化手段。轻量级锁的操作也很方便,它只是简单地将对象头部作为指针指向持有锁的线程堆栈的内部,来判断一个线程是否持有对象锁。如果线程获得轻量级锁成功,则可以顺利进入临界区。如果轻量级锁加锁失败,则表示其他线程抢先争夺到了锁,那么当前线程的锁请求就会膨胀为重量级锁。

三、自旋锁

  • 锁膨胀后,为了避免线程真实地在操作系统层面挂起,虚拟机还会做最后的努力——自旋锁。当前线程暂时无法获得锁,而且什么时候可以获得锁是一个未知数,也许在几个CPU时钟周期后就可以得到锁。如果这样,简单粗暴地挂起线程可能是一种得不偿失的操作。系统会假设在不久的将来,线程可以得到这把锁。因此,虚拟机会让当前线程做几个空循环(这也是自旋的含义),在经过若干次循环后,如果可以得到锁,那么就顺利进入临界区。如果还不能获得锁,才会真的将线程在操作系统层面挂起。

四、锁清除

  • 锁消除是一种更彻底的锁优化。Java虚拟机在JIT编译时,通过对运行上下文的扫描,去除不可能存在共享资源竞争的锁。通过锁消除,可以节省毫无意义的请求锁时间。
    说到这里,细心的读者可能会产生疑问,如果不存在竞争,为什么程序员还要加上锁呢?这是因为在
    Java软件开发过程中,我们必然会使用一些JDK的内置API,比如StringBuffer、Vector等。你在使用这些类的时候,也许根本不会考虑这些对象到底内部是如何实现的。比如,你很有可能在一个不可能存在并发竞争的场合使用Vector。而众所周知,Vector内部使用了synchronized请求锁,比如下面的代码:
public string[] createStrings({
Vector<string> v=new Vector<String>();for(int i=0;i<100;i++){
v.add(Integer.tostring(i));}
return v.toArray (new String[]{);
}
  • 注意上述代码中的Vector,由于变量v只在createStrings()函数中使用,因此它只是一个单纯的局部变量。局部变量是在线程栈上分配的,属于线程私有的数据,因此不可能被其他线程访问。在这种情况下,Vector内部所有加锁同步都是没有必要的。如果虚拟机检测到这种情况,就会将这些无用的锁操作去除。
  • 锁消除涉及的一项关键技术为逃逸分析。所谓逃逸分析就是观察某一个变量是否会逃出某一个作用域。在本例中,变量v显然没有逃出
    createStrings()函数之外。以此为基础,虚拟机才可以大胆地将变量v内部的加锁操作去除。如果
    createStrings()函数返回的不是String数组,而是变量v本身,那么就认为变量v逃逸出了当前函数,也就是说变量v有可能被其他线程访问。如果是这样,虚拟机就不能消除变量v中的锁操作。
  • 逃逸分析必须在-server模式下进行,可以使用-XX:+DoEscapeAnalysis参数打开逃逸分析。使用-XX:+EliminateLocks参数可以打开锁消除。

摘自JAVA高并发程序设计,推荐推荐

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