試問 Synchronized 中的四個優(yōu)化，你知道幾個？
作者 | 王磊
來源 | Java中文社群(ID：javacn666)
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synchronized 在 JDK 1.5 時性能是比較低的，然而在后續(xù)的版本中經(jīng)過各種優(yōu)化迭代，它的性能也得到了前所未有的提升，上一篇中我們談到了鎖膨脹對 synchronized 性能的提升，然而它也只是“眾多” synchronized 性能優(yōu)化方案中的一種，那么我們本文就來盤點(diǎn)一下 synchronized 的核心優(yōu)化方案。
synchronized 核心優(yōu)化方案主要包含以下 4 個：
- 鎖膨脹
- 鎖消除
- 鎖粗化
- 自適應(yīng)自旋鎖
1.鎖膨脹
我們先來回顧一下鎖膨脹對 synchronized 性能的影響，所謂的鎖膨脹是指 synchronized 從無鎖升級到偏向鎖，再到輕量級鎖，最后到重量級鎖的過程，它叫做鎖膨脹也叫做鎖升級。
JDK 1.6 之前，synchronized 是重量級鎖，也就是說 synchronized 在釋放和獲取鎖時都會從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換成內(nèi)核態(tài)，而轉(zhuǎn)換的效率是比較低的。但有了鎖膨脹機(jī)制之后，synchronized 的狀態(tài)就多了無鎖、偏向鎖以及輕量級鎖了，這時候在進(jìn)行并發(fā)操作時，大部分的場景都不需要用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換了，這樣就大幅的提升了 synchronized 的性能。
“PS：至于為什么不需要用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換?請移步到鎖膨脹的那篇文章：《synchronized 優(yōu)化手段之鎖膨脹機(jī)制》。
2.鎖消除
很多人都了解 synchronized 中鎖膨脹的機(jī)制，但對接下來的 3 項優(yōu)化卻知之甚少，這樣會在面試中錯失良機(jī)，那么我們本文就把這 3 項優(yōu)化單獨(dú)拎出來講一下吧。
鎖消除指的是在某些情況下，JVM 虛擬機(jī)如果檢測不到某段代碼被共享和競爭的可能性，就會將這段代碼所屬的同步鎖消除掉，從而到底提高程序性能的目的。
鎖消除的依據(jù)是逃逸分析的數(shù)據(jù)支持，如 StringBuffer 的 append() 方法，或 Vector 的 add() 方法，在很多情況下是可以進(jìn)行鎖消除的，比如以下這段代碼：
- public String method() {
- StringBuffer sb = new StringBuffer();
- for (int i = 0; i < 10; i++) {
- sb.append("i:" + i);
- }
- return sb.toString();
- }
以上代碼經(jīng)過編譯之后的字節(jié)碼如下：
從上述結(jié)果可以看出，之前我們寫的線程安全的加鎖的 StringBuffer 對象，在生成字節(jié)碼之后就被替換成了不加鎖不安全的 StringBuilder 對象了，原因是 StringBuffer 的變量屬于一個局部變量，并且不會從該方法中逃逸出去，所以此時我們就可以使用鎖消除(不加鎖)來加速程序的運(yùn)行。
3.鎖粗化
鎖粗化是指，將多個連續(xù)的加鎖、解鎖操作連接在一起，擴(kuò)展成一個范圍更大的鎖。
我只聽說鎖“細(xì)化”可以提高程序的執(zhí)行效率，也就是將鎖的范圍盡可能縮小，這樣在鎖競爭時，等待獲取鎖的線程才能更早的獲取鎖，從而提高程序的運(yùn)行效率，但鎖粗化是如何提高性能的呢?
沒錯，鎖細(xì)化的觀點(diǎn)在大多數(shù)情況下都是成立了，但是一系列連續(xù)加鎖和解鎖的操作，也會導(dǎo)致不必要的性能開銷，從而影響程序的執(zhí)行效率，比如這段代碼：
- public String method() {
- StringBuilder sb = new StringBuilder();
- for (int i = 0; i < 10; i++) {
- // 偽代碼：加鎖操作
- sb.append("i:" + i);
- // 偽代碼：解鎖操作
- }
- return sb.toString();
- }
這里我們不考慮編譯器優(yōu)化的情況，如果在 for 循環(huán)中定義鎖，那么鎖的范圍很小，但每次 for 循環(huán)都需要進(jìn)行加鎖和釋放鎖的操作，性能是很低的;但如果我們直接在 for 循環(huán)的外層加一把鎖，那么對于同一個對象操作這段代碼的性能就會提高很多，如下偽代碼所示：
- public String method() {
- StringBuilder sb = new StringBuilder();
- // 偽代碼：加鎖操作
- for (int i = 0; i < 10; i++) {
- sb.append("i:" + i);
- }
- // 偽代碼：解鎖操作
- return sb.toString();
- }
鎖粗化的作用：如果檢測到同一個對象執(zhí)行了連續(xù)的加鎖和解鎖的操作，則會將這一系列操作合并成一個更大的鎖，從而提升程序的執(zhí)行效率。
4.自適應(yīng)自旋鎖
自旋鎖是指通過自身循環(huán)，嘗試獲取鎖的一種方式，偽代碼實現(xiàn)如下：
- // 嘗試獲取鎖
- while(!isLock()){
- }
自旋鎖優(yōu)點(diǎn)在于它避免一些線程的掛起和恢復(fù)操作，因為掛起線程和恢復(fù)線程都需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)入內(nèi)核態(tài)，這個過程是比較慢的，所以通過自旋的方式可以一定程度上避免線程掛起和恢復(fù)所造成的性能開銷。
但是，如果長時間自旋還獲取不到鎖，那么也會造成一定的資源浪費(fèi)，所以我們通常會給自旋設(shè)置一個固定的值來避免一直自旋的性能開銷。然而對于 synchronized 關(guān)鍵字來說，它的自旋鎖更加的“智能”，synchronized 中的自旋鎖是自適應(yīng)自旋鎖，這就好比之前一直開的手動擋的三輪車，而經(jīng)過了 JDK 1.6 的優(yōu)化之后，我們的這部“車”，一下子變成自動擋的蘭博基尼了。
自適應(yīng)自旋鎖是指，線程自旋的次數(shù)不再是固定的值，而是一個動態(tài)改變的值，這個值會根據(jù)前一次自旋獲取鎖的狀態(tài)來決定此次自旋的次數(shù)。比如上一次通過自旋成功獲取到了鎖，那么這次通過自旋也有可能會獲取到鎖，所以這次自旋的次數(shù)就會增多一些，而如果上一次通過自旋沒有成功獲取到鎖，那么這次自旋可能也獲取不到鎖，所以為了避免資源的浪費(fèi)，就會少循環(huán)或者不循環(huán)，以提高程序的執(zhí)行效率。簡單來說，如果線程自旋成功了，則下次自旋的次數(shù)會增多，如果失敗，下次自旋的次數(shù)會減少。
總結(jié)
本文我們介紹了 4 種優(yōu)化 synchronized 的方案，其中鎖膨脹和自適應(yīng)自旋鎖是 synchronized 關(guān)鍵字自身的優(yōu)化實現(xiàn)，而鎖消除和鎖粗化是 JVM 虛擬機(jī)對 synchronized 提供的優(yōu)化方案，這些優(yōu)化方案最終使得 synchronized 的性能得到了大幅的提升，也讓它在并發(fā)編程中占據(jù)了一席之地。
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