Java面试之Java锁优化与升级

Java的高效并发是从JDK 5升级到JDK 6后一项重要的改进项,HotSpot虚拟机开发团队在这个版本上花费了大量的资源去实现各种锁优化技术,如适应性自旋(Adaptive Spinning)、锁消除(Lock Elimination)、锁膨胀(Lock Coarsening)、轻量级锁(Lightweight Locking)、偏向锁(Biased Locking)等,这些技术都是为了在线程之间更高效的共享数据及解决竞争问题,从而提高程序的执行效率。

自旋锁。就是指当一个线程尝试获取某个锁时,如果该锁已被其他线程占用,线程不会立即阻塞,而是一直循环中不断尝试获取锁,直到获取成功或者达到最大自旋次数。

自旋锁在JDK 1.4.2中引入,只不过默认是关闭的,可以使用-XX:+UseSpinning参数来开启。JDK 6中就已经改为默认开启了。自旋等待不能代替阻塞,自旋等待虽然避免了线程开销,但是需要占用处理器时间,如果锁被占用的时间很短,自旋等待的效果就会非常好,反之如果锁被占用的时间很长,那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源,而带来性能的浪费。因此自旋等待的时间必须有一定的限度,如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁,就应当使用传统的方式去挂起线程。自旋次数的默认值是十次,可以使用-XX:PreBlockSpin参数设置自旋次数

自适应自旋锁。是对自旋锁的一种优化,它通过记录上一次自旋的时间,根据当前情况来决定是否要自旋,以避免无效的自旋操作,从而提高了程序的执行效率。

锁消除。是指虚拟机即时编译器在运行时,对一些代码要求同步,但是对被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。是一种针对锁竞争优化的机制,它通过静态分析和逃逸分析等技术判断某个锁对象是否被共享。如果不被共享,就可以将锁消除掉,从而避免了锁的开销。

锁粗化。是一种优化锁竞争的机制,它通过将多个连续的锁操作合并成一个大的锁操作,从而减少锁的持有和释放次数,提高程序的执行效率。

HotSpot虚拟机对象头Mark Word

锁主要存在四种状态依次是:无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态。每种锁是只能升级不能降级,而这个过程也是开销逐渐加大的过程。

无锁、匿名偏向锁。当前对象没有作为锁存在。

偏向锁。是一种轻量级锁优化,它通过在对象头中记录线程ID的标记位。使得对象在没有竞争的情况下,可以直接被第一个获取它的线程使用,避免了重复获取锁的开销。

轻量级锁。是一种优化synchronized的锁竞争的机制,当一个线程第一次获取到对象的锁时,synchronized会将对象头的Mark Word中记录当前线程ID和锁状态的标记位拷贝到栈帧中,同时将对象头的Mark Word更新为指向栈帧的指针,然后该线程执行同步块,如果此时发现该对象的锁已被其他线程占用,那么该线程就会采用自旋的方式不停地尝试获取锁,而不是挂起线程,以避免线程切换的开销。

重量级锁。当自旋超过一定次数或时间限制时,synchronized会将轻量级锁升级为重量级锁。此时该线程就会被阻塞,直到锁被释放,其他线程才能获取该锁。

synchronized锁升级机制是Java虚拟机针对多线程同步问题的一种优化手段。在Java 6以后的版本中,synchronized的实现进行了优化,引入了锁升级机制。

当一个线程第一次获取到某个对象的锁时,synchronized会尝试将该锁升级为轻量级锁。如果该线程在短时间内释放了锁,那么锁会降级为偏向锁,以提高下一次获取锁的效率。如果多个线程竞争同一个锁时,锁会升级为重量级锁。

synchronized的锁升级机制中,主要是通过对象头中的Mark Word来控制锁的状态,以及通过自旋和阻塞的方式来实现多线程同步。

在这个过程中,Java虚拟机会根据具体情况选择适合的锁策略,从而提高程序的执行效率和并发性能。

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