Java并發(fā)包中鎖升級(jí)過(guò)程的原理剖析

Java并發(fā)包中的鎖升級(jí)是一種優(yōu)化策略，旨在降低鎖操作的開(kāi)銷。其核心機(jī)制是根據(jù)線程競(jìng)爭(zhēng)情況動(dòng)態(tài)切換鎖狀態(tài)：1）無(wú)鎖狀態(tài)為初始狀態(tài)；2）偏向鎖適用于單線程訪問(wèn)，記錄線程id以避免同步操作；3）出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)升級(jí)為輕量級(jí)鎖，通過(guò)cas操作和自旋減少線程阻塞；4）競(jìng)爭(zhēng)激烈時(shí)最終升級(jí)為重量級(jí)鎖，依賴操作系統(tǒng)互斥量實(shí)現(xiàn)同步。偏向鎖適合單線程場(chǎng)景，多線程競(jìng)爭(zhēng)頻繁時(shí)反而影響性能；輕量級(jí)鎖通過(guò)自旋優(yōu)化避免線程切換，但自旋次數(shù)受限；重量級(jí)鎖存在線程切換開(kāi)銷大，適用于競(jìng)爭(zhēng)激烈場(chǎng)景。此外，jvm還提供鎖消除、鎖粗化等優(yōu)化技術(shù)，結(jié)合cas、aqs、concurrenthashmap、線程池和fork/join框架等多種并發(fā)技術(shù)共同提升性能。

Java并發(fā)包中的鎖升級(jí)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是一種優(yōu)化策略，旨在降低鎖操作的開(kāi)銷。它允許鎖在不同的狀態(tài)之間切換，從無(wú)鎖到偏向鎖，再到輕量級(jí)鎖，最后到重量級(jí)鎖，根據(jù)實(shí)際的競(jìng)爭(zhēng)情況來(lái)選擇最合適的鎖狀態(tài)。

鎖升級(jí)的根本目的是減少線程同步的開(kāi)銷。

鎖升級(jí)過(guò)程：

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1. 無(wú)鎖狀態(tài): 初始狀態(tài)，沒(méi)有任何線程持有鎖。

2. 偏向鎖: 當(dāng)一個(gè)線程訪問(wèn)同步塊并獲取鎖時(shí)，會(huì)在對(duì)象頭中記錄該線程的ID。后續(xù)該線程再次進(jìn)入同步塊時(shí)，不需要進(jìn)行任何同步操作，極大地提高了性能。如果出現(xiàn)其他線程競(jìng)爭(zhēng)，偏向鎖會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖。

   

3. 輕量級(jí)鎖: 當(dāng)多個(gè)線程嘗試在不同的時(shí)間段獲取同一把鎖時(shí)，使用輕量級(jí)鎖。線程會(huì)在自己的棧幀中創(chuàng)建一個(gè)鎖記錄，并將對(duì)象頭的Mark word復(fù)制到鎖記錄中。然后嘗試使用CAS操作將對(duì)象頭的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針。如果CAS成功，則該線程獲得鎖；如果CAS失敗，表示存在競(jìng)爭(zhēng)，輕量級(jí)鎖會(huì)膨脹為重量級(jí)鎖。

4. 重量級(jí)鎖: 當(dāng)多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)同一把鎖，并且輕量級(jí)鎖CAS操作失敗一定次數(shù)后，鎖會(huì)膨脹為重量級(jí)鎖。重量級(jí)鎖依賴于操作系統(tǒng)的互斥量（Mutex）來(lái)實(shí)現(xiàn)，線程需要進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

偏向鎖的適用場(chǎng)景和局限性是什么？

偏向鎖特別適合于只有一個(gè)線程訪問(wèn)同步塊的場(chǎng)景。例如，單線程應(yīng)用或者大部分時(shí)間只有一個(gè)線程訪問(wèn)的同步塊。但如果存在多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)，偏向鎖會(huì)頻繁升級(jí)，反而會(huì)降低性能。偏向鎖的撤銷操作也比較耗時(shí)，需要等到全局安全點(diǎn)（safepoint）。

輕量級(jí)鎖的自旋優(yōu)化策略是如何工作的？

輕量級(jí)鎖在CAS操作失敗后，并不會(huì)立即阻塞線程，而是會(huì)進(jìn)行自旋，即循環(huán)嘗試CAS操作。自旋的目的是避免線程切換的開(kāi)銷。自旋的次數(shù)通常有一定的限制，避免長(zhǎng)時(shí)間占用CPU資源。自旋的次數(shù)可以通過(guò)JVM參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。自旋優(yōu)化策略適用于競(jìng)爭(zhēng)不激烈的場(chǎng)景，如果競(jìng)爭(zhēng)激烈，自旋反而會(huì)浪費(fèi)CPU資源。

重量級(jí)鎖的實(shí)現(xiàn)原理和性能瓶頸是什么？

重量級(jí)鎖依賴于操作系統(tǒng)的互斥量（Mutex）來(lái)實(shí)現(xiàn)線程同步。當(dāng)一個(gè)線程嘗試獲取重量級(jí)鎖時(shí)，如果鎖已經(jīng)被其他線程持有，該線程會(huì)被阻塞，進(jìn)入等待隊(duì)列。當(dāng)持有鎖的線程釋放鎖時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)喚醒等待隊(duì)列中的一個(gè)線程。重量級(jí)鎖的性能瓶頸在于線程切換的開(kāi)銷。線程切換需要保存和恢復(fù)線程的上下文，這會(huì)消耗大量的CPU資源。因此，重量級(jí)鎖適用于競(jìng)爭(zhēng)激烈的場(chǎng)景，但應(yīng)該盡量避免過(guò)度使用。

如何選擇合適的鎖策略來(lái)優(yōu)化并發(fā)性能？

選擇合適的鎖策略需要綜合考慮多個(gè)因素，包括線程的數(shù)量、競(jìng)爭(zhēng)的激烈程度、同步塊的大小等。

• 無(wú)鎖: 如果能夠避免使用鎖，就盡量避免使用鎖。例如，可以使用ThreadLocal來(lái)避免共享變量的競(jìng)爭(zhēng)。

• 偏向鎖: 適用于單線程訪問(wèn)的場(chǎng)景。

• 輕量級(jí)鎖: 適用于競(jìng)爭(zhēng)不激烈的場(chǎng)景。可以通過(guò)調(diào)整自旋次數(shù)來(lái)優(yōu)化性能。

• 重量級(jí)鎖: 適用于競(jìng)爭(zhēng)激烈的場(chǎng)景。

• 鎖消除: JVM在編譯時(shí)會(huì)進(jìn)行鎖消除優(yōu)化，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)鎖只被一個(gè)線程持有，就會(huì)消除該鎖。

• 鎖粗化: JVM在編譯時(shí)會(huì)進(jìn)行鎖粗化優(yōu)化，將多個(gè)相鄰的同步塊合并為一個(gè)同步塊，減少鎖的獲取和釋放次數(shù)。

鎖升級(jí)過(guò)程中的對(duì)象頭變化是怎樣的？

對(duì)象頭是Java對(duì)象的重要組成部分，存儲(chǔ)了對(duì)象的元數(shù)據(jù)信息，包括鎖狀態(tài)。在鎖升級(jí)過(guò)程中，對(duì)象頭的Mark Word會(huì)發(fā)生變化。

• 無(wú)鎖狀態(tài): Mark Word存儲(chǔ)對(duì)象的哈希值、GC分代年齡等信息。

• 偏向鎖: Mark Word存儲(chǔ)偏向線程ID。

• 輕量級(jí)鎖: Mark Word存儲(chǔ)指向鎖記錄的指針。

• 重量級(jí)鎖: Mark Word存儲(chǔ)指向互斥量（Mutex）的指針。

理解對(duì)象頭的變化有助于深入理解鎖升級(jí)的原理。

除了鎖升級(jí)，還有哪些其他的并發(fā)優(yōu)化技術(shù)？

除了鎖升級(jí)，還有很多其他的并發(fā)優(yōu)化技術(shù)，例如：

• CAS（Compare and Swap）: 一種無(wú)鎖算法，通過(guò)比較內(nèi)存中的值與預(yù)期值是否相等，如果相等則更新為新值。

• AQS（AbstractQueuedSynchronizer）: 一個(gè)用于構(gòu)建鎖和同步器的框架。

• ConcurrentHashMap: 一個(gè)線程安全的哈希表，使用分段鎖技術(shù)提高并發(fā)性能。

• 線程池: 可以重用線程，減少線程創(chuàng)建和銷毀的開(kāi)銷。

• Fork/Join框架: 用于將大任務(wù)分解為小任務(wù)并行執(zhí)行。

這些并發(fā)優(yōu)化技術(shù)可以幫助開(kāi)發(fā)者構(gòu)建高性能的并發(fā)應(yīng)用。