Java多线程基础-15：Java 中 synchronized 的优化操作 -- 锁升级、锁消除、锁粗化

由并发编程中常见的锁策略总结可知，synchronized 具有以下几个特性：

开始时是乐观锁，如果锁冲突频繁，就转换为悲观锁。
开始是轻量级锁实现，如果锁被持有的时间较长，就转换成重量级锁。
实现轻量级锁时，大概率用自旋锁策略。
是一种不公平锁。
是一种可重入锁。
不是读写锁。

本文介绍synchronized的几种优化操作，包括锁升级、锁消除和锁粗化。

一、锁升级

JVM 将 synchronized 锁分为无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁这四种状态。在加锁过程中，会根据实际情况，依次进行升级。（**目前主流的 JVM 的实现，只能锁升级，不能锁降级！**不是无法实现，只不过可能是因为存在一些代价，使得这样做的收益和代价不成比例，因此就没有实现。）

整体的加锁过程（锁升级过程）：刚开始加锁，是偏向锁状态；遇到锁竞争后，升级成自旋锁（轻量级锁）；当竞争更激烈时，就会变成重量级锁（交给内核阻塞等待）。

1、偏向锁（Biased Locking）

第一个尝试加锁的线程优先进入偏向锁状态。偏向锁是Java虚拟机（JVM）中用于提高线程同步性能的一种优化技术。在多线程环境中，对共享资源进行同步操作，需要使用锁（synchronized）来保证线程的互斥访问。传统的锁机制存在竞争和上下文切换的开销，对性能会有一定的影响。而偏向锁则是为了减少无竞争情况下的锁操作开销而引入的。

偏向锁不是真的“加锁”，只是先让线程针对锁对象有个标记，记录某个锁属于哪个线程。

它的基本思想是，当一个线程获取锁并访问同步代码块时，如果没有竞争，那么下次该线程再次进入同步块时，无需再次获取锁。这是因为在无竞争的情况下，假设一个线程反复访问同步代码块，无需每次都去竞争锁，只需判断锁是否处于偏向状态；如果是，那么直接进入同步代码块即可。

通俗来说就是，如果后续没有其他线程再来竞争该锁，那么就不用真的加锁了，从而避免了加锁解锁的开销。但一旦还有其他线程来尝试竞争这个锁，偏向锁就立即升级成真的锁（轻量级锁），此时别的线程就只能等待了。这样做既保证了效率，也保证了线程安全。

如何判定有没有别的线程来竞争该锁？

注意，偏向锁是synchronized内部做的工作。synchronized会针对某个对象进行加锁，这个所谓的“偏向锁”正是在这个对象里头做一个标记。

由于一开始已经在锁对象中记录了当前锁属于哪个线程，因此很容易识别当前申请锁的线程是否是一开始就记录了的线程。

如果另一个线程正在尝试对同一个对象进行加锁，也会先尝试做标记，但结果却发现已经有标记了。于是JVM就会通知先来的线程，让它赶快把锁升级一下。

偏向锁本质上是“延迟加锁”，即能不加锁就不加锁，尽量避免不必要的加锁开销；但是该做的标记还是得做的，否则就无法区分何时需要真正加锁。

举个栗子理解偏向锁

假设男主是一个锁，女主是一个线程。如果只有女主和男主暧昧（即只有这一个线程来使用这个锁），那么即使男主和女主不领证结婚（避免了高成本操作），也可以一直生活下去。

但是如果此时有女配出现，也尝试竞争男主，想和男主搞暧昧，那么此时女主就必须当机立断，不管领证结婚这个操作成本多高，也势必要把这个动作完成（即真正加锁），让女配死心。

所以说，偏向锁 = 搞暧昧~~

2、自旋锁

**什么是自旋锁？**在锁策略的文章中提到：

自旋锁是一种典型的轻量级锁的实现方式，它通常是纯用户态的，不需要经过内核态。按之前的方式，线程在抢锁失败后即进入阻塞状态，放弃 CPU，需要过很久才能再次被调度。但实际上，在大部分情况下虽然当前抢锁失败，但过不了很久锁就会被释放，没必要就放弃 CPU。这个时候就可以使用自旋锁来处理这样的问题。

自旋锁是一种忙等待锁的机制。当一个线程需要获取自旋锁时，它会反复地检查锁是否可用，而不是立即被阻塞。如果获取锁失败（锁已经被其他线程占用），当前线程会立即再尝试获取锁，不断自旋（空转）等待锁的释放，直到获取到锁为止。第一次获取锁失败，第二次的尝试会在极短的时间内到来。这样能保证一旦锁被其他线程释放，当前线程能第一时间获取到锁。

优点：没有放弃 CPU，不涉及线程阻塞和调度。一旦锁被释放就能第一时间获取到锁。
缺点：如果锁被其他线程持有的时间比较久，那么就会持续的消耗 CPU 资源（忙等），而挂起等待的时候是不消耗 CPU 的。

自旋锁适用于保护临界区较小、锁占用时间短的情况，因为自旋会消耗CPU资源。自旋锁通常使用原子操作或特殊的硬件指令来实现。

随着其他线程进入锁竞争，偏向锁状态会被消除，进入轻量级锁状态，即自适应的自旋锁。

此处的轻量级锁是通过 CAS 来实现。通过 CAS 检查并更新一块内存（比如比较 null 与该线程引用是否相等），如果更新成功，则认为加锁成功；如果更新失败，则认为锁被占用，继续自旋式的等待，期间并不放弃 CPU 资源。

（见详解CAS算法）

CAS算法实现自旋锁的原理

由于自旋操作是一直让 CPU 空转，比较浪费 CPU 资源，因此此处的自旋不会一直持续进行，而是达到一定的时间或重试次数就不再自旋了。这也就是所谓的 “自适应”。

3、重量级锁

**什么是重量级锁？**在锁策略的文章中提到：

简单来说，轻量级锁是加锁解锁的过程更快更高效的锁策略，而重量级锁是加锁解锁的过程更慢更低效的锁策略。重量级锁中加锁机制重度依赖 OS 提供的 mutex（互斥量）。

大量的内核态用户态切换。

很容易引发线程的调度。

这两个操作的成本都比较高，而且一旦涉及到用户态和内核态的切换，效率就低了。

如果竞争进一步激烈，自旋不能快速获取到锁状态。就会膨胀为重量级锁。

自旋锁虽然能最快获取到锁，但是要消耗大量 CPU（因为自旋的时候CPU是快速空转的）。如果当前锁竞争非常激烈，比如 50 个线程竞争一个锁，1 个争上，另外 49 个等待。这么多线程都在自旋空转，CPU的消耗就非常大。既然如此，就更改锁策略，升级成重量级锁，让其它的线程都在内核里进行阻塞等待（这意味着线程要暂时放弃 CPU 资源，由内核进行后续调度）。

（PS：目前的主流操作系统如 windows，Linux，调度的开销都是很大的。系统不承诺能在 xx 时间内一定能完成指定的调度，极端情况下调度的开销可能非常大。

但还存在另外一种实时操作系统（例如 vxworks），它能够以更低的成本完成任务调度，但牺牲了更多的其他功能。在如火箭发射这种对时间精度比较高的特殊领域就会用到。）

如果竞争进一步激烈，自旋不能快速获取到锁状态。就会膨胀为重量级锁。

此处的重量级锁就是指内核提供的 mutex 。

某线程执行加锁操作，先进入内核态。
在内核态判定当前锁是否已经被别的线程占用。
如果该锁没有占用，则加锁成功，并切换回用户态。
如果该锁被占用，则加锁失败。此时线程进入锁的等待队列并挂起，等待被操作系统唤醒。
经历了一系列的“沧海桑田”，这个锁终于被其他线程释放了，此时操作系统也想起了这个被挂起的线程，于是唤醒这个线程，并让它尝试重新获取锁。

二、锁消除

锁消除也是“非必要，不加锁”的一种体现。与锁升级不同，锁升级是程序在运行阶段 JVM 做出的优化手段。而锁消除是在程序编译阶段的优化手段。编译器和 JVM 会检测当前代码是否是多线程执行或是否有必要加锁。如果无必要，但又把锁给写了，那么在编译的过程中就会自动把锁去掉。

有些应用程序代码中可能会用到没有必要用到的 synchronized。例如 StringBuffer 就是线程安全的，它的每一个关键方法都加了synchronized关键字：

StringBuffer的部分源码

但这里就有一个问题：如果是在单线程中使用StringBuffer，是不涉及线程安全问题的。这个时候其实就没必要加锁。那么这时编译器就会出手，发现synchronized是没必要加的，就会在编译阶段把synchronized去掉，相当于加锁操作没有真正被编译。

StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append("a");
sb.append("b");
sb.append("c");
sb.append("d");
此时，每个 append 的调用都会涉及加锁和解锁。但如果只是在单线程中执行这段代码，那么其中的这些加锁解锁操作是没有必要的，白白浪费了一些资源开销。

锁消除整体来说是一个比较保守的优化手段，毕竟编译器肯定得保证消除的操作是靠谱的。所以只有十拿九稳的时候才会实施锁消除，否则仍然会上锁，这时就会交给其它的操作策略来对锁进行优化（比如上面的锁升级）。

三、锁粗化

锁的粒度指的是 synchronized 代码块中包含代码的多少。代码越多，粒度越大；代码越少，粒度越小。

一般我们在写代码时，多数情况下是希望锁的粒度更小一点。（锁的粒度小就意味着串行执行的代码更少，并发执行的代码更多）。如果某个场景需要频繁地加锁解锁，此时编译器就可能把这个操作优化成个粒度更粗的锁，即锁的粗化。

实际开发过程中使用细粒度锁，是期望释放锁的时候其他线程能使用锁。但是实际中可能并没有其他线程来抢占这个锁。这种情况 JVM 就会自动把锁粗化，避免频繁申请释放锁造成不必要的开销。

举个栗子理解锁粗化

上班时要向领导汇报工作。你的领导给你安排了三个工作：A、B、C。
汇报方式有：

先打个电话，汇报工作 A 的进展，挂了电话；再打个电话，汇报工作 B 的进展，挂了电话；再打个电话，汇报工作C的进展，挂了电话。（你给领导打电话，领导接你的电话，领导就干不了别的；别人要给领导打电话，就只能阻塞等待。每次锁竞争都可能引入一定的等待开销，此时整体的效率可能反而更低。）
打个电话，一口气汇报工作 A，工作B，工作 C，挂了电话。

显然第二种方式是更加高效的。

可见，synchronized 的策略是比较复杂的，它是一个很“智能”的锁。