Java虚拟机-锁与并发（十三）

锁的基本概念和实现

理解线程安全
在多线程的环境下，无论多个线程如何访问目标对象，目标对象的状态应始终保持一致。
示例：在多线程环境下使用ArrayList

public class ThreadUnSafe { public static List<Integer> numberList = new AarryList<>(); public static class AddToList implements Runnable{ int startnum = 0; public AddToList(int startnumber){ startnum = startnumber; } @Override public void run() { int count = 0; while(count < 1000000){ numberList.add(startnum); startnum+=2; count++; } } } public static void main(String[] args) { Thread t1 = new Thread(new AddToList(0)); Thread t2 = new Thread(new AddToList(1)); t1.start(); t2.start(); } }

如此运行的话，会出现如下的异常： Exception in thread "Thread-1" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 10 分析： 两个线程t1和t1同时向numberList增加数据，由于Array List的线程并不是安全的。它们同时对集合进行读写操作，破坏了ArrayList内部数据的一致性，导致其中一个线程访问了错误的数组索引。 解决方案： 将ArrayList更换为Vertor. Vertor的实现中，使用了内部锁堆List对象进行控制，实现如下：

对象头和锁

Java虚拟机的实现中每个对象都有一个对象头，用于保存对象的系统信息。对象头中有一个被称为Mark Word的部分，它是实现锁的关键；
在32位系统中，它是一个32位的数据；在64为系统中，它占64位；
它可以存放对象的哈希值，对象年龄，锁的指针等信息；
一个对象是否占有锁，占有哪个锁，都记录在这里！

以32位系统为例，普通对象的对象头就像下面这样：

它表示：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

对于偏向锁的对象，它的格式如下：

前23位表示持有偏向锁的线程，后续两位比特表示偏向锁的时间戳，4位比特表示对象年龄，年龄后1位比特固定为1，表示偏向锁，最后2位为01表示可偏向/未锁定

对象处于轻量级锁定时，Mark Word如下（00表示组后2位的值）：

此时，它指向存放在获得锁的线程栈中的该对象真实对象头

对象处于重量级锁定时，其Mark Word如下：

最后两位为10，整个Markk Word表示指向Monitor的指针

对象处于普通的未锁定状态时，格式如下：

前29位表示对象的哈希值，年龄等信息。倒数第3位为0，最后两位为01，表示未锁定。

锁在Java虚拟机中的实现和优化

偏向锁
能力特点：在JDK1.6出现。核心思想是：如果程序没有竞争，则取消之前已经取得锁的线程同步操作；
能力分析：当某一锁被线程获取后，便进入偏向模式。当线程再次请求这个锁时，无需再进行相关的同步操作，从而节省时间。如果在此之前有其他线程进行了锁请求，则锁退出偏向模式；

属性：
-XX:+UseBiasedLocking：可以设置启用偏向锁；

验证：当锁对象处于偏向模式时，对象头会记录获得锁的线程：

举个栗子：来看看偏向锁的性能提升吧！

public class Biased { public static List<Integer> numberList = new Vector<>(); public static void main(String[] args) { long begin = System.currentTimeMillis(); int count=0; int startnum=0; while(count<10000000){ numberList.add(startnum); startnum+=2; count++; } long end = System.currentTimeMillis(); System.out.println(end-begin); } }

第一次执行不使用任何启动参数，观察其执行时间；（我的程序执行时间为：5966） 第二次使用如下启动参数，再次观察执行时间：（执行时间为：696） -XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 -client -Xmx512m -Xms512m 高亮表示在程序启动后，立即启用偏向锁

结论：偏向锁在少竞争的情况下，对系统性能有一定帮助。
在竞争激烈的场合没有太强的优化效果，因为大量的竞争会导致持有锁的线程不停的切换，锁也很难一直保持在偏向模式，此时使用偏向锁还有降低系统性能的危险；

轻量级锁
能力特点：偏向锁失败，Java虚拟机会让线程申请轻量级锁；

能力分析：该锁在虚拟机内部，使用一个称为BasicObjectLock的对象实现，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对象放置在Java栈的栈帧中；因此该指针必然指向持有该锁的线程栈空间。当需要判断某一线程是否持有该对象锁时，只需简单地判断对象头的指针是否在当前线程的栈地址范围内即可。同时，BasicLock对象的displaced_header字段，备份了原对象的Mark
Word内容。BasicObjectLock对象的obj字段则指向该对象；
该对象内部维护着displaced_header字段，用来备份对象头部的Mark Word;

示意图：BasicLock通过set_displaced_header()方法备份了原对象的Mark Word。接着，使用CAS操作，尝试将BasicLock的地址复制到对象头的Mark
Word。如果复制成功，那么加锁成功，否则认为加锁失败。如果加锁失败，那么轻量级锁就有可能被膨胀为重量级锁；



锁膨胀
能力特点：当轻量级锁失败，虚拟机就会使用重量级锁；
能力分析：在轻量级锁处理失败后，虚拟机会先废弃前面BasicLock备份的对象头信息。之后则正式启用重量级锁。启用过程分为两步：首先通过inflate()方法进行锁膨胀，其目的是获得对象的ObjectMonitor；然后使用enter()方法尝试进入该锁；在此方法调用中，线程很可能会在操作系统层面被挂起。如果这样，线程间切换和调度的成本就会比较高；

自旋锁
能力特点：锁膨胀后，线程很可能会在操作系统层面被挂起，这样在线程上下文切换时，会损失较大的性能。在锁膨胀之后，虚拟机会努力让线程进入临界区而避免被操作系统挂起。

能力分析：
自旋锁可以使线程在没有取得锁时，不被挂起，转而去执行一个空循环（即自旋），在若干个空循环后，线程如果可以获得锁，则继续执行。若线程依然不能获得锁，才会被挂起。
该锁使线程被挂起的几率相对减少，线程执行的连贯性相对加强。对于锁竞争不是很激烈，锁占用时间很短的并发线程，具有一定的积极意义，但对于锁竞争激烈，单线程锁占用时间长的并发程序，自旋锁在自旋等待后，往往依然无法获得对应的锁，即浪费了CPU时间，又浪费了系统资源。

JDK1.6属性：
-XX:-UseSpinning：开启自旋锁；
-XX:PreBlockSpin：设置自旋锁的等待次数；

特别说明：
JDK1.7，该锁的参数被取消，虚拟机不再支持由用户配置自旋锁。它总是会执行，并自行调整自旋次数；

锁消除
能力特点：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的锁。通过它，可以节省请求锁的时间；
问题：如果不存在竞争，为什么还要加锁？在开发中会使用一些JDK内置的API，比如StringBudder,Vector等。这些工具有对应的非线程完全版本，但是开发人员也很有可能在完全没有多线程竞争的场合使用它们。这时，工具类内部的同步方法就是不必要的。虚拟机可以在运行时，基于逃逸分析技术，捕获这些不可能存在竞争却有申请锁的代码段，并消除这些不必要的锁，从而提高系统性能；

属性：锁消除必须在-server模式
-XX:+DoEscapeAnalysis：逃逸分析
-XX:+EliminateLocks：锁消除

示例：下面的代码中sb变量的作用域仅限于方法体内部，不可能逃逸出该方法，因此它不可能被多个线程同时访问

public class LockEliminate { private static final int CIRCLE = 2000000; public static void main(String[] args) { long start =System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < CIRCLE; i++) { createStringBuffer("JVM","Diagnosis"); } long bufferCost = System.currentTimeMillis() -start; System.out.println("createStringBuffer:"+bufferCost+" ms"); } private static String createStringBuffer(String s1, String s2) { StringBuffer sb = new StringBuffer(); sb.append(s1); sb.append(s2); return sb.toString(); } } 使用参数：关闭锁消除 -server -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:-EliminateLocks -Xcomp -XX:-BackgroundCompilation -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 运行结果： createStringBuffer:466 ms 使用参数：开启锁消除 -server -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+EliminateLocks -Xcomp -XX:-BackgroundCompilation -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 运行结果： createStringBuffer:250 ms

结论：本实例使用了-XX:BiasedLockingStartupDelay参数迫使偏向锁在启动时生效。如果不开启此参数，性能差距会更大；