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一分钟让你学会Java中的synchronized锁优化

synchronized / Lock

  • 1.JDK 1.5之前,Java通过synchronized关键字来实现锁功能
    synchronized是JVM实现的内置锁,锁的获取和释放都是由JVM隐式实现的

  • 2.JDK 1.5,并发包中新增了Lock接口来实现锁功能
    提供了与synchronized类似的同步功能,但需要显式获取和释放锁

  • Lock同步锁是基于Java实现的,而synchronized是基于底层操作系统的Mutex Lock实现的每次获取和释放锁都会带来用户态和内核态的切换,从而增加系统的性能开销在锁竞争激烈的情况下,synchronized同步锁的性能很糟糕在JDK 1.5,在单线程重复申请锁的情况下,synchronized锁性能要比Lock的性能差很多

  • 4.JDK 1.6,Java对synchronized同步锁做了充分的优化,甚至在某些场景下,它的性能已经超越了Lock同步锁

实现原理

public class SyncTest {
 public synchronized void method1() {
 }
 public void method2() {
 Object o = new Object();
 synchronized (o) {
 }
 }
}
$ javac -encoding UTF-8 SyncTest.java
$ javap -v SyncTest
修饰方法
public synchronized void method1();
 descriptor: ()V
 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
 Code:
 stack=0, locals=1, args_size=1
 0: return
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JVM使用ACC_SYNCHRONIZED访问标识来区分一个方法是否为同步方法
在方法调用时,会检查方法是否被设置了ACC_SYNCHRONIZED访问标识
如果是,执行线程会将先尝试持有Monitor对象,再执行方法,方法执行完成后,最后释放Monitor对象
修饰代码块


public void method2();
 descriptor: ()V
 flags: ACC_PUBLIC
 Code:
 stack=2, locals=4, args_size=1
 0: new #2 // class java/lang/Object
 3: dup
 4: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
 7: astore_1
 8: aload_1
 9: dup
 10: astore_2
 11: monitorenter
 12: aload_2
 13: monitorexit
 14: goto 22
 17: astore_3
 18: aload_2
 19: monitorexit
 20: aload_3
 21: athrow
 22: return
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synchronized修饰同步代码块时,由monitorenter和monitorexit指令来实现同步
进入monitorenter指令后,线程将持有该Monitor对象,进入monitorexit指令,线程将释放该Monitor对象

管程模型

1.JVM中的同步是基于进入和退出管程(Monitor)对象实现的

2.每个Java对象实例都会有一个Monitor,Monitor可以和Java对象实例一起被创建和销毁

3.Monitor是由ObjectMonitor实现的,对应ObjectMonitor.hpp

4.当多个线程同时访问一段同步代码时,会先被放在EntryList中

5.当线程获取到Java对象的Monitor时(Monitor是依靠底层操作系统的Mutex Lock来实现互斥的)

线程申请Mutex成功,则持有该Mutex,其它线程将无法获取到该Mutex
6.进入WaitSet

  1. 竞争锁失败的线程会进入WaitSet
  2. 竞争锁成功的线程如果调用wait方法,就会释放当前持有的Mutex,并且该线程会进入WaitSet
  3. 进入WaitSet的进程会等待下一次唤醒,然后进入EntryList重新排队

7.如果当前线程顺利执行完方法,也会释放Mutex

8.Monitor依赖于底层操作系统的实现,存在用户态和内核态之间的切换,所以增加了性能开销

Java性能之synchronized锁的优化

ObjectMonitor() {
 _header = NULL;
 _count = 0; // 记录个数
 _waiters = 0,
 _recursions = 0;
 _object = NULL;
 _owner = NULL; // 持有该Monitor的线程
 _WaitSet = NULL; // 处于wait状态的线程,会被加入 _WaitSet
 _WaitSetLock = 0 ;
 _Responsible = NULL ;
 _succ = NULL ;
 _cxq = NULL ;
 FreeNext = NULL ;
 _EntryList = NULL ; // 多个线程访问同步块或同步方法,会首先被加入 _EntryList
 _SpinFreq = 0 ;
 _SpinClock = 0 ;
 OwnerIsThread = 0 ;
 _previous_owner_tid = 0;
}//加入Java开发交流君样:756584822一起吹水聊天

锁升级优化

为了提升性能,在JDK 1.6引入偏向锁、轻量级锁、重量级锁,用来减少锁竞争带来的上下文切换
借助JDK 1.6新增的Java对象头,实现了锁升级功能
Java对象头
在JDK 1.6的JVM中,对象实例在堆内存中被分为三部分:对象头、实例数据、对齐填充
对象头的组成部分:Mark Word、指向类的指针、数组长度(可选,数组类型时才有)
Mark Word记录了对象和锁有关的信息,在64位的JVM中,Mark Word为64 bit
锁升级功能主要依赖于Mark Word中锁标志位和是否偏向锁标志位
synchronized同步锁的升级优化路径:偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁
`在这里插入图片描述







偏向锁

  • 偏向锁主要用来优化同一线程多次申请同一个锁的竞争,在某些情况下,大部分时间都是同一个线程竞争锁资源

偏向锁的作用

  • 当一个线程再次访问同一个同步代码时,该线程只需对该对象头的Mark Word中去判断是否有偏向锁指向它
  • 无需再进入Monitor去竞争对象(避免用户态和内核态的切换)
  • 当对象被当做同步锁,并有一个线程抢到锁时
    锁标志位还是01,是否偏向锁标志位设置为1,并且记录抢到锁的线程ID,进入偏向锁状态
    偏向锁不会主动释放锁

  • 当线程1再次获取锁时,会比较当前线程的ID与锁对象头部的线程ID是否一致,如果一致,无需CAS来抢占锁
  • 如果不一致,需要查看锁对象头部记录的线程是否存活
  • 如果没有存活,那么锁对象被重置为无锁状态(也是一种撤销),然后重新偏向线程2
  • 如果存活,查找线程1的栈帧信息
  • 如果线程1还是需要继续持有该锁对象,那么暂停线程1(STW),撤销偏向锁,升级为轻量级锁
  • 如果线程1不再使用该锁对象,那么将该锁对象设为无锁状态(也是一种撤销),然后重新偏向线程2
  • 一旦出现其他线程竞争锁资源时,偏向锁就会被撤销
  • 偏向锁的撤销可能需要等待全局安全点,暂停持有该锁的线程,同时检查该线程是否还在执行该方法
  • 如果还没有执行完,说明此刻有多个线程竞争,升级为轻量级锁;如果已经执行完毕,唤醒其他线程继续CAS抢占
    在高并发场景下,当大量线程同时竞争同一个锁资源时,偏向锁会被撤销,发生STW,加大了性能开销
    默认配置
    -XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=4000
    默认开启偏向锁,并且延迟生效,因为JVM刚启动时竞争非常激烈
    关闭偏向锁
    -XX:-UseBiasedLocking
    直接设置为重量级锁
    -XX:+UseHeavyMonitors
    红线流程部分:偏向锁的获取和撤销








在这里插入图片描述

轻量级锁

当有另外一个线程竞争锁时,由于该锁处于偏向锁状态
发现对象头Mark Word中的线程ID不是自己的线程ID,该线程就会执行CAS操作获取锁
如果获取成功,直接替换Mark Word中的线程ID为自己的线程ID,该锁会保持偏向锁状态
如果获取失败,说明当前锁有一定的竞争,将偏向锁升级为轻量级锁
线程获取轻量级锁时会有两步
先把锁对象的Mark Word复制一份到线程的栈帧中(DisplacedMarkWord),主要为了保留现场!!
然后使用CAS,把对象头中的内容替换为线程栈帧中DisplacedMarkWord的地址
场景
在线程1复制对象头Mark Word的同时(CAS之前),线程2也准备获取锁,也复制了对象头Mark Word
在线程2进行CAS时,发现线程1已经把对象头换了,线程2的CAS失败,线程2会尝试使用自旋锁来等待线程1释放锁
轻量级锁的适用场景:线程交替执行同步块,绝大部分的锁在整个同步周期内都不存在长时间的竞争
红线流程部分:升级轻量级锁










Java性能之synchronized锁的优化

自旋锁 / 重量级锁

轻量级锁CAS抢占失败,线程将会被挂起进入阻塞状态
如果正在持有锁的线程在很短的时间内释放锁资源,那么进入阻塞状态的线程被唤醒后又要重新抢占锁资源
JVM提供了自旋锁,可以通过自旋的方式不断尝试获取锁,从而避免线程被挂起阻塞
从JDK 1.7开始,自旋锁默认启用,自旋次数不建议设置过大(意味着长时间占用CPU)
-XX:+UseSpinning -XX:PreBlockSpin=10
自旋锁重试之后如果依然抢锁失败,同步锁会升级至重量级锁,锁标志位为10
在这个状态下,未抢到锁的线程都会进入Monitor,之后会被阻塞在WaitSet中
在锁竞争不激烈且锁占用时间非常短的场景下,自旋锁可以提高系统性能
一旦锁竞争激烈或者锁占用的时间过长,自旋锁将会导致大量的线程一直处于CAS重试状态,占用CPU资源
在高并发的场景下,可以通过关闭自旋锁来优化系统性能
-XX:-UseSpinning
关闭自旋锁优化
-XX:PreBlockSpin
默认的自旋次数,在JDK 1.7后,由JVM控制












Java性能之synchronized锁的优化

小结

1.JVM在JDK 1.6中引入了分级锁机制来优化synchronized

2.当一个线程获取锁时,首先对象锁成为一个偏向锁

这是为了避免在同一线程重复获取同一把锁时,用户态和内核态频繁切换
3.如果有多个线程竞争锁资源,锁将会升级为轻量级锁

这适用于在短时间内持有锁,且分锁交替切换的场景
轻量级锁还结合了自旋锁来避免线程用户态与内核态的频繁切换
4.如果锁竞争太激烈(自旋锁失败),同步锁会升级为重量级锁

5.优化synchronized同步锁的关键:减少锁竞争

应该尽量使synchronized同步锁处于轻量级锁或偏向锁,这样才能提高synchronized同步锁的性能
常用手段
减少锁粒度:降低锁竞争
减少锁的持有时间,提高synchronized同步锁在自旋时获取锁资源的成功率,避免升级为重量级锁
6.在锁竞争激烈时,可以考虑禁用偏向锁和禁用自旋锁



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Tags jdk CAS mark
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