浅谈偏向锁、轻量级锁、重量级锁

为了换取性能,JVM在内置锁上做了非常多的优化,膨胀式的锁分配策略就是其一。理解偏向锁、轻量级锁、重量级锁的要解决的基本问题,几种锁的分配和膨胀过程,有助于编写并优化基于锁的并发程序。
内置锁的分配和膨胀过程较为复杂,限于时间和精力,文中该部分内容是根据网上的多方资料整合而来;仅为方便查阅,后面继续分析JVM源码的时候也有个参考。如果对各级锁已经有了基本了解,读者大可跳过此文。
隐藏在内置锁下的基本问题
内置锁是JVM提供的最便捷的线程同步工具,在代码块或方法声明上添加synchronized关键字即可使用内置锁。使用内置锁能够简化并发模型;随着JVM的升级,几乎不需要修改代码,就可以直接享受JVM在内置锁上的优化成果。从简单的重量级锁,到逐渐膨胀的锁分配策略,使用了多种优化手段解决隐藏在内置锁下的基本问题。
重量级锁
内置锁在Java中被抽象为监视器锁(monitor)。在JDK 1.6之前,监视器锁可以认为直接对应底层操作系统中的互斥量(mutex)。这种同步方式的成本非常高,包括系统调用引起的内核态与用户态切换、线程阻塞造成的线程切换等。因此,后来称这种锁为“重量级锁”。
自旋锁
首先,内核态与用户态的切换上不容易优化。但通过自旋锁,可以减少线程阻塞造成的线程切换(包括挂起线程和恢复线程)。
如果锁的粒度小,那么锁的持有时间比较短(尽管具体的持有时间无法得知,但可以认为,通常有一部分锁能满足上述性质)。那么,对于竞争这些锁的而言,因为锁阻塞造成线程切换的时间与锁持有的时间相当,减少线程阻塞造成的线程切换,能得到较大的性能提升。具体如下:
1、当前线程竞争锁失败时,打算阻塞自己 2、不直接阻塞自己,而是自旋(空等待,比如一个空的有限for循环)一会 3、在自旋的同时重新竞争锁 4、如果自旋结束前获得了锁,那么锁获取成功;否则,自旋结束后阻塞自己
如果在自旋的时间内,锁就被旧owner释放了,那么当前线程就不需要阻塞自己_(也不需要在未来锁释放时恢复),减少了一次线程切换。
“锁的持有时间比较短”这一条件可以放宽。实际上,只要锁竞争的时间比较短(比如线程1快释放锁的时候,线程2才会来竞争锁),就能够提高自旋获得锁的概率。这通常发生在锁持有时间长,但竞争不激烈的场景中。

缺点

1、单核处理器上,不存在实际的并行,当前线程不阻塞自己的话,旧owner就不能执行,锁永远不会释放,此时不管自旋多久都是浪费;进而,如果线程多而处理器少,自旋也会造成不少无谓的浪费。 2、自旋锁要占用CPU,如果是计算密集型任务,这一优化通常得不偿失,减少锁的使用是更好的选择。 3、如果锁竞争的时间比较长,那么自旋通常不能获得锁,白白浪费了自旋占用的CPU时间。这通常发生在锁持有时间长,且竞争激烈的场景中,此时应主动禁用自旋锁。
使用-XX:-UseSpinning参数关闭自旋锁优化;-XX:PreBlockSpin参数修改默认的自旋次数。
自适应自旋锁
自适应意味着自旋的时间不再固定了,而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定:
1、如果在同一个锁对象上,自旋等待刚刚成功获得过锁,并且持有锁的线程正在运行中,那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功,进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间,比如100个循环。 2、相反的,如果对于某个锁,自旋很少成功获得过,那在以后要获取这个锁时将可能减少自旋时间甚至省略自旋过程,以避免浪费处理器资源。
自适应自旋解决的是“锁竞争时间不确定”的问题。JVM很难感知到确切的锁竞争时间,而交给用户分析就违反了JVM的设计初衷。自适应自旋假定不同线程持有同一个锁对象的时间基本相当,竞争程度趋于稳定,因此,可以根据上一次自旋的时间与结果调整下一次自旋的时间_。

缺点

然而,自适应自旋也没能彻底解决该问题,如果默认的自旋次数设置不合理(过高或过低),那么自适应的过程将很难收敛到合适的值。
轻量级锁
自旋锁的目标是降低线程切换的成本。如果锁竞争激烈,我们不得不依赖于重量级锁,让竞争失败的线程阻塞;如果完全没有实际的锁竞争,那么申请重量级锁都是浪费的。轻量级锁的目标是,减少无实际竞争情况下,使用重量级锁产生的性能消耗,包括系统调用引起的内核态与用户态切换、线程阻塞造成的线程切换等。
顾名思义,轻量级锁是相对于重量级锁而言的。使用轻量级锁时,不需要申请互斥量,仅仅将Mark Word中的部分字节CAS更新指向线程栈中的Lock Record,如果更新成功,则轻量级锁获取成功,记录锁状态为轻量级锁;否则,说明已经有线程获得了轻量级锁,目前发生了锁竞争(不适合继续使用轻量级锁),接下来膨胀为重量级锁_。
Mark Word是对象头的一部分;每个线程都拥有自己的线程栈(虚拟机栈),记录线程和函数调用的基本信息。二者属于JVM的基础内容,此处不做介绍。
当然,由于轻量级锁天然瞄准不存在锁竞争的场景,如果存在锁竞争但不激烈,仍然可以用自旋锁优化,自旋失败后再膨胀为重量级锁。

缺点

同自旋锁相似:
如果锁竞争激烈,那么轻量级将很快膨胀为重量级锁,那么维持轻量级锁的过程就成了浪费。
偏向锁
在没有实际竞争的情况下,还能够针对部分场景继续优化。如果不仅仅没有实际竞争,自始至终,使用锁的线程都只有一个,那么,维护轻量级锁都是浪费的。偏向锁的目标是,减少无竞争且只有一个线程使用锁的情况下,使用轻量级锁产生的性能消耗。轻量级锁每次申请、释放锁都至少需要一次CAS,但偏向锁只有初始化时需要一次CAS。
“偏向”的意思是,偏向锁假定将来只有第一个申请锁的线程会使用锁(不会有任何线程再来申请锁),因此,只需要在Mark Word中CAS记录owner(本质上也是更新,但初始值为空),如果记录成功,则偏向锁获取成功,记录锁状态为偏向锁,以后当前线程等于owner就可以零成本的直接获得锁;否则,说明有其他线程竞争,膨胀为轻量级锁。
偏向锁无法使用自旋锁优化,因为一旦有其他线程申请锁,就破坏了偏向锁的假定。

缺点

同样的,如果明显存在其他线程申请锁,那么偏向锁将很快膨胀为轻量级锁。
不过这个副作用已经小的多。 如果需要,使用参数-XX:-UseBiasedLocking禁止偏向锁优化(默认打开)。
小结
偏向锁、轻量级锁、重量级锁分配和膨胀的详细过程见后。会涉及一些Mark Word与CAS的知识。
偏向锁、轻量级锁、重量级锁适用于不同的并发场景:
1、偏向锁:无实际竞争,且将来只有第一个申请锁的线程会使用锁。 2、轻量级锁:无实际竞争,多个线程交替使用锁;允许短时间的锁竞争。 3、重量级锁:有实际竞争,且锁竞争时间长。
另外,如果锁竞争时间短,可以使用自旋锁进一步优化轻量级锁、重量级锁的性能,减少线程切换。
如果锁竞争程度逐渐提高(缓慢),那么从偏向锁逐步膨胀到重量锁,能够提高系统的整体性能。
锁分配和膨胀过程
重申,这部分主要是根据网上的多方资料整理。核心是这位巨巨整理的流程图,相当详细,基本符合逻辑。
前面讲述了内置锁在使用过程中的一些基本问题和解决方案,实现原理一笔带过。详细的锁分配和膨胀过程如下:
图中有一处疑问:
按照图中流程,如果发现锁已经膨胀为重量级锁,就直接使用互斥量mutex阻塞当前线程。 然而,自旋锁的一大好处就是减少线程切换的开销。在这里没有必要直接阻塞当前线程,大可以像轻量级锁一样,自旋一会,失败了再阻塞。
特别说明两点:
1、CAS记录owner时, expected==nullnewValue==ownerThreadId,因此,只有第一个申请偏向锁的线程能够返回成功,后续线程都必然失败(部分线程检测到可偏向,同时尝试CAS记录owner)。 2、内置锁只能沿着偏向锁、轻量级锁、重量级锁的顺序逐渐膨胀,不能“收缩”。这基于JVM的另一个假定,“一旦破坏了上一级锁的假定,就认为该假定以后也必不成立”。
另外,当重量级锁被解除后,需要唤醒一个被阻塞的线程,这部分逻辑与ReentrantLock基本相同
简化版
上图记载的很详细,也有Mark Word的图解。看懂上图后,再来看《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践(第2版)》中的简化版流程图就能看懂了:
挖坑:
简化版中指出了 重偏向过程。这一过程对于性能优化和膨胀过程都非常重要;但如果考虑重偏向的话,可能上述特别说明的内容就不成立了。要整理的笔记太多啦时间不够啊,猴子选择暂时放弃这个问题,,,恩,挖个坑,以后再追源码填坑。
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