JVM中鎖優化簡介

stackvoid發表於2016-01-31

本文將簡單介紹HotSpot虛擬機器中用到的鎖優化技術。

自旋鎖

互斥同步對效能最大的影響是阻塞的實現，掛起執行緒和恢復執行緒的操作都需要轉入核心態中完成，這些操作給系統的併發效能帶來了很大的壓力。而在很多應用上，共享資料的鎖定狀態只會持續很短的一段時間。若實體機上有多個處理器，能讓兩個以上的執行緒同時並行執行，我們就可以讓後面請求鎖的那個執行緒原地自旋（不放棄CPU時間），看看持有鎖的執行緒是否很快就會釋放鎖。為了讓執行緒等待，我們只須讓執行緒執行一個忙迴圈（自旋），這項技術就是自旋鎖。

如果鎖長時間被佔用，則浪費處理器資源，因此自旋等待的時間必須要有一定的限度，如果自旋超過了限定的次數仍然沒有成功獲得鎖，就應當使用傳統的方式去掛起執行緒了（預設10次）。

JDK1.6引入自適應的自旋鎖：自旋時間不再固定，由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態來決定。如果在同一個鎖物件上，自旋等待剛剛成功獲得過鎖，並且持有鎖的執行緒正在執行中，那麼虛擬機器就會認為這次自旋也很有可能再次成功，進而它將允許自旋等待持續相對更長的時間。

鎖削除

鎖削除是指虛擬機器即時編譯器在執行時，對一些程式碼上要求同步，但是被檢測到不可能存在共享資料競爭的鎖進行削除（主要判定依據來源於逃逸分析的資料支援，如果判斷到一段程式碼中，在堆上的所有資料都不會逃逸出去被其他執行緒訪問到，那就可以把它們當作棧上資料對待，認為它們是執行緒私有的，同步加鎖自然就無須進行）。

鎖膨脹

如果一系列的連續操作都對同一個物件反覆加鎖和解鎖，甚至加鎖操作是出現在迴圈體中的，那即使沒有執行緒競爭，頻繁地進行互斥同步操作也會導致不必要的效能損耗。如果虛擬機器探測到有這樣一串零碎的操作都對同一個物件加鎖，將會把加鎖同步的範圍擴充套件（膨脹）到整個操作序列的外部（由多次加鎖程式設計只加鎖一次）。

輕量級鎖

輕量級鎖並不是用來代替重量級鎖（傳統鎖機制，如互斥等）的，目的是在沒有多執行緒競爭的前提下，減少傳統的重量級鎖使用作業系統互斥量產生的效能消耗。

HotSpot虛擬機器的物件頭（Object Header）分為兩部分資訊，第一部分用於儲存物件自身的執行時資料，如雜湊碼（HashCode）、GC分代年齡（Generational GC Age）等，這部分資料的長度在32位和64位的虛擬機器中分別為32個和64個Bits，官方稱它為“Mark Word”，它是實現輕量級鎖和偏向鎖的關鍵。另外一部分用於儲存指向方法區物件型別資料的指標，如果是陣列物件的話，還會有一個額外的部分用於儲存陣列長度。

Mark Word被設計成一個非固定的資料結構以便在極小的空間記憶體儲儘量多的資訊，它會根據物件的狀態複用自己的儲存空間。例如在32位的HotSpot虛擬機器中物件未被鎖定的狀態下，Mark Word的32個Bits空間中的25Bits用於儲存物件雜湊碼（HashCode），4Bits用於儲存物件分代年齡，2Bits用於儲存鎖標誌位，1Bit固定為0，在其他狀態（輕量級鎖定、重量級鎖定、GC標記、可偏向）下Mark Word的儲存內容如下表所示。

儲存內容	標誌位	狀態
物件Hash值、物件分代年齡	01	未鎖定
指向鎖記錄的指標	00	輕量級鎖定
指向重量級鎖的指標	10	膨脹（重量級鎖定）
空，不記錄資訊	11	GC標記
偏向執行緒ID、偏向時間戳、物件分代年齡	01	可偏向

加鎖過程

在程式碼進入同步塊的時候，如果此同步物件沒有被鎖定（鎖標誌位為“01”狀態），虛擬機器首先將在當前執行緒的棧幀中建立一個名為鎖記錄（Lock Record）的空間，用於儲存鎖物件目前的Mark Word的拷貝（官方把這份拷貝加了一個Displaced字首，即Displaced Mark Word），這時候執行緒堆疊與物件頭的狀態如下圖所示。

然後，虛擬機器將使用CAS操作嘗試將物件的Mark Word更新為指向Lock Record的指標。如果這個更新動作成功，那麼這個執行緒就擁有了該物件的鎖，並且物件Mark Word的鎖標誌位（Mark Word的最後兩個Bits）將轉變為“00”，即表示此物件處於輕量級鎖定狀態，這時候執行緒堆疊與物件頭的狀態如下圖所示。

如果這個更新操作失敗了，虛擬機器首先會檢查物件的Mark Word是否指向當前執行緒的棧幀，如果是就說明當前執行緒已經擁有了這個物件的鎖，那就可以直接進入同步塊繼續執行，否則說明這個鎖物件已經被其他執行緒搶佔了。如果有兩條以上的執行緒爭用同一個鎖，那輕量級鎖就不再有效，要膨脹為重量級鎖，鎖標誌的狀態值變為“10”，Mark Word中儲存的就是指向重量級鎖（互斥量）的指標，後面等待鎖的執行緒也要進入阻塞狀態。

解鎖過程

解鎖過程也是通過CAS操作來進行的，如果物件的Mark Word仍然指向著執行緒的鎖記錄，那就用CAS操作把物件當前的Mark Word和執行緒中複製的Displaced Mark Word替換回來，如果替換成功，整個同步過程就完成了。如果替換失敗，說明有其他執行緒嘗試過獲取該鎖，那就要在釋放鎖的同時，喚醒被掛起的執行緒。

輕量級鎖小結

輕量級鎖能提升程式同步效能的依據是“對於絕大部分的鎖，在整個同步週期內都是不存在競爭的”，這是一個經驗資料。如果沒有競爭，輕量級鎖使用CAS操作避免了使用互斥量的開銷，但如果存在鎖競爭，除了互斥量的開銷外，還額外發生了CAS操作，因此在有競爭的情況下，輕量級鎖會比傳統的重量級鎖更慢。

偏向鎖

目的是消除資料在無競爭情況下的同步原語，進一步提高程式的執行效能。如果說輕量級鎖是在無競爭的情況下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向鎖就是在無競爭的情況下把整個同步都消除掉，連CAS操作都不做了。

偏向鎖會偏向於第一個獲得它的執行緒（Mark Word中的偏向執行緒ID資訊），如果在接下來的執行過程中，該鎖沒有被其他的執行緒獲取，則持有偏向鎖的執行緒將永遠不需要再進行同步。

假設當前虛擬機器啟用了偏向鎖（啟用引數-XX:+UseBiasedLocking，JDK 1.6的預設值），當鎖物件第一次被執行緒獲取的時候，虛擬機器將會把物件頭中的標誌位設為“01”，即偏向模式。同時使用CAS操作把獲取到這個鎖的執行緒的ID記錄在物件的Mark Word之中，如果CAS操作成功，持有偏向鎖的執行緒以後每次進入這個鎖相關的同步塊時，虛擬機器都可以不再進行任何同步操作（例如Locking、Unlocking及對Mark Word的Update等）。　　當有另外一個執行緒去嘗試獲取這個鎖時，偏向模式就宣告結束。根據鎖物件目前是否處於被鎖定的狀態，撤銷偏向（Revoke Bias）後恢復到未鎖定（標誌位為“01”）或輕量級鎖定（標誌位為“00”）的狀態，後續的同步操作就如上面介紹的輕量級鎖那樣執行。偏向鎖、輕量級鎖的狀態轉化及物件Mark Word的關係如下圖所示。