java并发编程（九）synchronized原理之锁消除和锁粗化

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一、JMH工具

在讲解之前，我们先熟悉一下JMH工具。

JMH 是 OpenJDK 团队开发的一款基准测试工具，一般用于代码的性能调优，精度甚至可以达到纳秒级别，适用于 java 以及其他基于 JVM 的语言。

下面只介绍我的使用方法，因为我有一个自己的测试项目，所以直接使用maven命令创建一个子项目，切换到工程的最上级目录下，执行如下命令：

mvn archetype:generate -DinteractiveMode=false -DarchetypeGroupId=org.openjdk.jmh -DarchetypeArtifactId=jmh-java-benchmark-archetype -DgroupId=bssp -DartifactId=bssp-jmh -Dversion=1.0
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成功后会得到如下工程：

其中的MyBenchmark类就是我们测试的类，将自己需要测试的代码写入到里面就可以了。

最后使用maven的install或package打包成jar包，得到一个benchmarks.jar，通过java -jar 启动就可以查看测试结果。

问题：使用过程中可能存在打包失败的问题，有可能是此工程与父工程的依赖有冲突导致的，如果发现此类问题，可以直接修改此工程的pom文件，去掉<parent></parent>及包含的内容即可。

二、锁消除

锁消除是发生在编译器级别的一种锁优化方式。

JVM使用JIT（及时编译器）去优化，基于逃逸分析，如果局部变量在运行过程中没有出现逃逸，则可以对其进行优化。

测试两个方法，一个加锁，一个没加锁，都是对i进行++操作，如下所示：

import org.openjdk.jmh.annotations.*;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

@Fork(1)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime) // 求平均时间
@Warmup(iterations = 3) // 预热，防止首次执行造成不准确
@Measurement(iterations = 3) // 运行三次
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS) // 输出的单位是纳秒
public class MyBenchmark {

    static int i = 0;

    @Benchmark // 要进行测试的方法
    public void test1() throws Exception {
        i++;
    }

    @Benchmark // 要进行测试的方法
    public void test2() throws Exception {
        Object lock = new Object();
        synchronized (lock) {
            i++;
        }
    }

}
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打包后运行benchmarks.jar，看结果：

PS E:\workspace\bssp-cloud\bssp-jmh\target> java -jar .\benchmarks.jar
# VM invoker: C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\bin\java.exe
# VM options: <none>
# Warmup: 3 iterations, 1 s each
# Measurement: 3 iterations, 1 s each
# Threads: 1 thread, will synchronize iterations
# Benchmark mode: Average time, time/op
# Benchmark: bssp.MyBenchmark.test1

# Run progress: 0.00% complete, ETA 00:00:12
# Fork: 1 of 1
# Warmup Iteration   1: 1.840 ns/op
# Warmup Iteration   2: 1.852 ns/op
# Warmup Iteration   3: 1.845 ns/op
Iteration   1: 1.842 ns/op
Iteration   2: 1.841 ns/op
Iteration   3: 1.847 ns/op


Result: 1.843 ±(99.9%) 0.052 ns/op [Average]
  Statistics: (min, avg, max) = (1.841, 1.843, 1.847), stdev = 0.003
  Confidence interval (99.9%): [1.792, 1.895]


# VM invoker: C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\bin\java.exe
# VM options: <none>
# Warmup: 3 iterations, 1 s each
# Measurement: 3 iterations, 1 s each
# Threads: 1 thread, will synchronize iterations
# Benchmark mode: Average time, time/op
# Benchmark: bssp.MyBenchmark.test2

# Run progress: 50.00% complete, ETA 00:00:07
# Fork: 1 of 1
# Warmup Iteration   1: 1.846 ns/op
# Warmup Iteration   2: 1.855 ns/op
# Warmup Iteration   3: 1.857 ns/op
Iteration   1: 1.829 ns/op
Iteration   2: 1.801 ns/op
Iteration   3: 1.834 ns/op


Result: 1.822 ±(99.9%) 0.321 ns/op [Average]
  Statistics: (min, avg, max) = (1.801, 1.822, 1.834), stdev = 0.018
  Confidence interval (99.9%): [1.501, 2.142]


# Run complete. Total time: 00:00:15

Benchmark              Mode  Samples  Score  Score error  Units
b.MyBenchmark.test1    avgt        3  1.843        0.052  ns/op
b.MyBenchmark.test2    avgt        3  1.822        0.321  ns/op
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如上结果分别展示了详细两次方法测试过程，包括预热时间，每次执行时间，平均时间，和两个方法的平均时间汇总。两次差距并不大。

正常来说添加了synchronized的方法，效率要明显的低于另一个方法，然而结果则不然。

其实是因为jvm锁消除的优化机制存在，就像开篇说的，局部变量lock，并没有逃逸出其作用范围。每一个线程来调用该方法，都会在在其栈帧中创建一个局部变量，多个线程之间是没有影响的，所以jvm经过分析，认为可以将此处的锁消除。

我们可以通过 -XX:-EliminateLocks 参数，去关闭锁消除，然后看一下运行结果：

Benchmark              Mode  Samples   Score  Score error  Units
b.MyBenchmark.test1    avgt        3   1.851        0.140  ns/op
b.MyBenchmark.test2    avgt        3  22.272        2.121  ns/op
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没有使用锁消除的方法，消耗时间增加了十多倍，差距还是很明显的。

jvm通过锁消除机制，极大的提升了代码运行的效率。也反向证明，即使是偏向锁，轻量级锁，还是会造成很大的性能损耗。

三、锁粗化

锁粗化是jvm在编译时会做的优化，本质就是减少加锁以及锁释放的次数。

下面举例几个可能存在锁消除的例子：

• StringBuffer

      public static void main(String[] args) {
          StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
  
          stringBuffer.append("1");
          stringBuffer.append("2");
          stringBuffer.append("3");
      }
  复制代码

  append源码：

      public synchronized StringBuffer append(String str) {
          toStringCache = null;
          super.append(str);
          return this;
      }
  复制代码

  append方法是synchronized的，当我们重复多次调用一个Stringbuffer的append方法，例如循环等，jvm为了提高效率，就可能发生锁粗化。

• 循环

      public static void main(String[] args) {
          for (int i = 0; i < 100; i++) {
              synchronized (Test.class){
                  // TODO 
              }
          }
      }
  复制代码

  如上代码在循环内不断的持有锁，释放锁，所以可能发生锁粗化，真正执行时的代码可能会是如下这样：

      public static void main(String[] args) {
          synchronized (Test.class) {
              for (int i = 0; i < 100; i++) {
                  // TODO
              }
          }
      }
  复制代码