【多线程】Synchronized的优化

对synchronized不太了解的同学，可以先参考我的另外一篇文章【多线程】浅说Synchronized

早期版本synchronized性能较低的原因

在早期版本中，synchronized是一种重量级锁，其底层由Monitor实现，而Monitor又依赖于操作系统的Mutex Lock。线程获取到锁后，需要切换状态，而操作系统在实现线程的切换时，需要从用户态转为核心态，这是一个非常耗时，非常重的操作。因此在之前，synchronized是一种重量级锁。

JDK1.6之后对synchronized的优化

现在的synchronized已经没有之前那么笨重了，在虚拟机层面，对synchronized做了较大的优化，引入了自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化，可以减少锁操作的开销。

自旋锁

有时候，获取到锁的线程执行的操作耗时极短，为了这么点微不足道的时间，将接下来等待锁的线程挂起非常的不值得。挂起线程的操作需要在核心态完成，从用户态切换到核心态，耗时比较严重。

因此现在增加这么一样操作，让等待锁的线程执行忙循环等待，不停地去尝试获取锁，像一种自旋的操作，故称之为自旋锁。

如果之前线程占有锁的时间极短，那么自旋锁的性能将非常的好。但若是占有锁的时间较长，那么自旋锁将白白消耗CPU的资源，在自旋次数到了之后，将会被挂起。

在jdk1.4的时候，自旋锁默认关闭；jdk1.6之后，自旋锁默认开启，默认自旋10次，当然也可以使用PreBlockSpin来修改自旋次数。

自旋锁的痛点在于：无法在不同场景中，确定出一个可靠的自旋次数。因此，衍生出来适应性自旋锁。

适应性自旋锁

在适应性自旋锁中，自旋的次数不再固定，一般由之前自旋的次数和锁持有者的状态决定。

如果在一个锁对象上，之前的线程都能通过自旋来获取到锁，并且没有超过自旋次数，那么虚拟机认为，通过自旋获取到锁的概率很大，下一次会增加自旋的次数。相反的，如果之前很少有线程通过自旋获取到锁，那么虚拟机会减少自旋的次数，减少到一定次数后，甚至会直接放弃自旋，升级为重量级锁。

可以看出，适应性自旋锁十分机智。

锁消除

从字面意思上可以看出，这是一种直接去除锁的方法，简单粗暴。

对于那些根本不可能存在锁竞争却又包含锁的情况，虚拟机会直接消除这个锁，避免无意义的锁请求。比如我在纯单线程中对某个方法或者变量加锁，或者调用内部实现有锁的对象（Vector、StringBuffer与HashTable等），虚拟机会直接消除毫无意义的加锁。

锁粗化

在上一文中【多线程】浅说Synchronized，我们谈到了synchronized的应用-双重检验锁的优化过程，强调将加锁的范围尽量限制得小一些，直到存在锁竞争的实际区域才加锁，这样程序运行更加高效。

但是，如果存在这样的一种情况：反复的对同一个对象执行加锁解锁的操作，也会导致CPU资源的过度消耗。

锁粗化，就是将反复的加锁操作粗化成一个范围更大的锁，这样加锁只有一次。

例如，在循环内部，调用StringBuffer的append操作(关于StringBuffer，可以参考我的另外一篇文章【JAVA】String、StringBuilder、StringBuffer三者的区别)，每次append都需要加锁，虚拟机检测到这种情况后，首先会对append脱锁，然后进行锁粗化，将锁的范围扩大到循环外部。

锁的状态

锁的状态有以下几种：

无锁状态
偏向锁状态
轻量级锁状态
重量级锁状态

其中，无锁状态对应于锁消除，Monitor对应于重量级锁，也就是1.6之前的synchronized。

偏向锁

偏向锁的核心要义就体现在“偏”字上，这个锁偏向第一个获取到它的线程。

在大部分情况下，不存在激烈的锁竞争，总是由同一个线程获取到该锁。那么为了减少同一个线程获取锁带来的开销，就引入了偏向锁。

如果一个线程不断的获取到了锁，那么该锁就进入偏向锁状态。当这个线程再次请求锁时，无需做任何同步操作，直接获取到锁。

当然，偏向锁适用于基本无锁竞争的情况，当锁竞争激烈时，偏向锁就失去了作用，会升级为轻量级锁。

轻量级锁

在偏向锁的状态下，此时又出现了一个线程，与偏向线程竞争该锁，此时该锁会升级为轻量级锁。

举个例子，比如创建一个线程1执行同步print()方法打印奇数，这时候的锁状态为偏向锁。此时，再创建一个线程2同样执行同步print()方法打印偶数，偏向锁就会升级为轻量级锁。线程1打印某个奇数时，线程2并没有被挂起，而是处于一种自旋状态，这种自旋效率很高。可是，当我再创建100个线程时，同样执行同步print()方法，自旋的效率将会变得十分低下，此时轻量级锁会升级为重量级锁，即使用Monitor来进行同步。

锁的升级

无锁、偏向锁、轻量级锁与重量级锁，会随着锁竞争的升级而升级。

从一开始的偏向锁，产生锁竞争后，升级为轻量级锁，自旋失败后，升级为重量级锁，一般来说，锁的升级是单向的。