锁的优化
高效并发是从 JDK1.5到 JDK1.6 的一个重要改进，也提供了各种锁优化技术，这些技术的存在也会对锁的性能做了进一步的改善与提高。在面试的过程中并发编程方面的知识也是少不了这些的学习。
所以今天也算是来对所有的优化都做上一个总结。
注：此篇博文大部分内容出自《深入理解Java虚拟机》，一部分是本人在看个篇博文的个人理解。关于不知道如何获取电子版的朋友，微信读书上有完整版本，希望能帮到在学习这方面知识的小伙伴。
下面开始这些锁的介绍。
自旋锁与自适应自旋
在了解这两个优化技术之前首先了解在互斥操作时候会出现的情况–Java的线程是映射到操作系统的原生线程之上的，如果要阻塞或唤醒一个线程，都需要操作系统来帮忙完成，这就需要从用户态转换到核心态中，因此状态转换需要耗费很多的处理器时间。同时，虚拟机的开发团队也注意到了很多的应用上，共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间，为了这段时间去挂起和恢复线程并不值得。
这里就引入了自旋锁：
自旋
在一个线程已经拥有了一个锁时候，此时若是有一个线程想要再来请求，就会让后面请求锁的线程“等待一下”，但是这个等待并不会放弃处理器的执行时间，看看持有锁的线程是否会很快的释放锁。我们只需要让这个线程执行一个忙循环（自旋）。就是所谓的自旋锁。
注意：对于自旋来说不能代替阻塞，对于自旋本身来说虽然能够避免了线程切换的开销，但是仍然要占用处理器的时间，所以要是等待时间较短效果还是比较好，但是等待时间长，就会白白浪费资源，而起不到任何的作用。所以这个自旋的次数要进行限制，但是这个次数是多少呢，引出了自适应自旋锁。
自适应自旋锁
对于自适应自旋锁来说，自旋的次数就不会再受到限制，而是根据同一个锁上的自旋时间以及锁的拥有者状态来决定。对于同一个锁对象上，自旋刚刚成功，并且持有锁的线程正在运行，此时虚拟机就会认为这次的自旋也会成功。若是对于某一个锁来说，自旋很少成功，那么在以后要获取这个锁时候，就会省略掉自旋的过程，以避免浪费处理器资源。
锁消除
指的是虚拟机既时编辑器在运行时候，对一些代码上要求同步，但是对被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行一个消除。
注意：对于锁消除来说主要依据的是“逃逸分析”的数据支持：如果判断在一段代码中，堆上的所有数据都不会逃逸出去从而被其他线程访问到，那就可以把它们当做栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须进行
锁粗化
对于我们平时的编程时候，在编写代码的时候，总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小——尽可能变小，如果存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快拿到锁。大部分情况下，上面的原则都是正确的，但是如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，那即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。所以这个时候如果虚拟机探测到有这样一串零碎的操作都会同一个对象加锁，将会把加锁同步的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部。这个时候只进行一次的加锁就可以完成以上的步骤。
轻量级锁
对于轻量级锁来说 ，“轻量级”是相对于使用操作系统互斥量来实现的传统的锁来说的，其实也只是偏向的使用情况不同而已，所以取上不同的名字做上一个区分。但是轻量级锁并不是用来取缔重量级锁，而只是适用的情况不同时候，对于轻量级的锁来说更适用于没有多线程竞争的条件下，减少传统的重量级锁适用操作系统互斥量产生的性能消耗。
要理解轻量级锁，以及后面会讲到的偏向锁的原理和运作过程，必须从HotSpot虚拟机的对象（对象头部分）的内存布局开始介绍。
HotSpot虚拟机的对象头（ObjectHeader）分为两部分信息.
一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄（Generational GC Age）等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32bit和64bit，官方称它为“Mark Word”，它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。
另外一部分用于存储指向方法区对象类型数据的指针，如果是数组对象的话，还会有一个额外的部分用于存储数组长度。
对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。
栗子
例如，在32位的HotSpot虚拟机中对象未被锁定的状态下，MarkWord的32bit空间中的25bit用于存储对象哈希码（HashCode），4bit用于存储对象分代年龄，2bit用于存储锁标志位，1bit固定为0，在其他状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）下对象的存储内容见下表。
HotSpot虚拟机对象头Mark Word简单地介绍了对象的内存布局后，我们把话题返回到轻量级锁的执行过程上。
- 在代码进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定（锁标志位为“01”状态），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（
LockRecord）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝（官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced Mark Word），这时候线程堆栈与对象头的状态如图二所示。 - 虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象MarkWord的锁标志位（
Mark Word的最后2bit）将转变为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态，这时候线程堆栈与对象头的状态如图四所示
图二轻量级锁CAS操作之前堆栈与对象的状态
图三轻量级锁CAS操作之后堆栈与对象的状态
如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的MarkWord是否指向当前线程的栈帧，如果指向了说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，MarkWord中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。
以上描述的是轻量级锁的加锁过程，也比之前的那些锁的优化要浮复杂很多。
它的解锁过程也是通过CAS操作来进行的，如果对象的Mark Word仍然指向着线程的锁记录，那就用CAS操作把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来，如果替换成功，整个同步过程就完成了。如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。
偏向锁
对于偏向锁来说也是在 JDK1.6中引入的优化。目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语，来提高运行的性能。
如果说我们前面介绍到的轻量级锁是在无竞争情况下来使用 CAS操作去除同步使用的互斥量，那么对于偏向锁来说就是在无竞争的条件下来吧整个同步都消除掉，连最基础的CAS操作都不做。
对于偏向锁来说： 会偏向于第一个获取到它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他线程获取，对于持有偏向锁的线程来说，就永远都不需要再进行同步操作。
正如我们在前面发费大量的篇幅去介绍关于对象头Mark Word与线程之间的操作过程，若是我们能够明白其中的缘由，在理解偏向锁时候就会容易很多。
主要原理
假设当前虚拟机启用了偏向锁（启用参数-XX:+UseBiasedLocking，这是JDK 1.6的默认值），那么，当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机将会把对象头中的标志位设为“01”，即偏向模式。同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中，如果CAS操作成功，持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机都可以不再进行任何同步操作（例如Locking、Unlocking及对Mark Word的Update等）。
但是此时若是有一个线程想要尝试去获得这个锁的时候，偏向模式就宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，撤销偏向（Revoke Bias）后恢复到未锁定（标志位为“01”）或轻量级锁定（标志位为“00”）的状态，后续的同步操作就如上面介绍的轻量级锁那样执行。偏向锁、轻量级锁的状态转化及对象Mark Word的关系如图四所示：
图四 偏向锁，轻量级锁的状态转化及对象 Mark Word的关系
以上就是对于偏向锁的介绍，但是还记得我们的自适应自旋锁吗？ 对于偏向锁而言，同样是一个带有效益权衡（Trade Off）性质的优化。也就是说，它并不一定总是对程序运行有利，如果程序中大多数的锁总是被多个不同的线程访问，那偏向模式就是多余的。在具体问题具体分析的前提下，有时候使用参数-XX:-UseBiasedLocking来禁止偏向锁优化反而可以提升性能。
小结
对于锁的优化就是以上的这些内容，也是在面试中经常出现的题目，这里个人在学习《深入理解Java虚拟机》时候也算是做上一个终结，比较书本的东西是书本的，通过自己的记录与输出，希望能够形成一个体系，在下次的面试中能够对答如流。
