学习总结

• 学习了JVM对synchronized的优化有哪些
• 了解了frp的其他用法

明日安排

• 继续阅读《JAVA并发编程的艺术》这本书

笔记内容

偏向锁、轻量级锁、重量级锁

• Java SE 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”。
• 锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态，偏向锁状态，轻量级锁和重量级锁状态。
• HotSpot的作者经过研究发现，大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。
• 偏向锁的目标是：减少无竞争且只有一个线程使用锁的情况下，使用轻量锁产生的性能消耗。
• “偏向”的意思是，偏向锁假定将来只有第一个申请锁的线程会使用锁（不会有任何线程再来申请锁），因此，只需要在Mark Word中CAS记录owner（本质上也是更新，但初始值为空），如果记录成功，则偏向锁获取成功，记录锁状态为偏向锁，以后当前线程等于owner就可以零成本的直接获得锁；否则，说明有其他线程竞争，膨胀为轻量级锁。

锁	优点	缺点	适合场景
偏向锁	加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距	如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗	适用于只有一个线程访问同步块场景
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度	如果始终得不到锁竞争的线程，使用自旋会消耗CPU	追求响应时间，同步块执行速度非常快
重量级锁	线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU	线程阻塞，响应时间缓慢	追求吞吐量，同步块执行时间较长

synchronized的其他优化

• 锁粗化：将多次连接在一起的加锁，解锁操作合并为一次，将多个连续的锁扩展成一个范围更大的锁。
• 锁消除：删除不必要的加锁操作，判断到一段代码中，堆上的数据不会逃逸出当前进程，那么可以认为这段代码是线程安全的，不必要加锁

概念性解释

偏向锁、轻量级锁、重量级锁在什么时候会被用到

当我们使用内置锁synchronized关键字时，JVM会帮我们优化内置锁的机制。
优化手段包括了偏向锁，轻量级锁等手段。
synchronized依赖于底层操作系统的Mutex Lock来实现，操作系统实现线程之间的切换这就需要从用户态转换到核心态，这个成本非常高，状态之间的转换需要相对比较长的时间，这就是为什么Synchronized效率低的原因。
因此，这种依赖于操作系统Mutex Lock所实现的锁我们称之为“重量级锁”。
JDK中对Synchronized做的种种优化，其核心都是为了减少这种重量级锁的使用。JDK1.6以后，为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，提高性能，引入了“轻量级锁”和“偏向锁”。

自旋锁

首先，内核态与用户态的切换上不容易优化。但通过自旋锁，可以减少线程阻塞造成的线程切换（包括挂起线程和恢复线程）。

如果锁的粒度小，那么锁的持有时间比较短（尽管具体的持有时间无法得知，但可以认为，通常有一部分锁能满足上述性质）。那么，对于竞争这些锁的而言，因为锁阻塞造成线程切换的时间与锁持有的时间相当，减少线程阻塞造成的线程切换，能得到较大的性能提升。具体如下：

当前线程竞争锁失败时，打算阻塞自己
不直接阻塞自己，而是自旋（空等待，比如一个空的有限for循环）一会
在自旋的同时重新竞争锁
如果自旋结束前获得了锁，那么锁获取成功；否则，自旋结束后阻塞自己
如果在自旋的时间内，锁就被旧owner释放了，那么当前线程就不需要阻塞自己（也不需要在未来锁释放时恢复），减少了一次线程切换。

“锁的持有时间比较短”这一条件可以放宽。实际上，只要锁竞争的时间比较短（比如线程1快释放锁的时候，线程2才会来竞争锁），就能够提高自旋获得锁的概率。
这通常发生在锁持有时间长，但竞争不激烈的场景中。

缺点
单核处理器上，不存在实际的并行，当前线程不阻塞自己的话，旧owner就不能执行，锁永远不会释放，此时不管自旋多久都是浪费；进而，如果线程多而处理器少，自旋也会造成不少无谓的浪费。
自旋锁要占用CPU，如果是计算密集型任务，这一优化通常得不偿失，减少锁的使用是更好的选择。
如果锁竞争的时间比较长，那么自旋通常不能获得锁，白白浪费了自旋占用的CPU时间。这通常发生在锁持有时间长，且竞争激烈的场景中，此时应主动禁用自旋锁。
使用-XX:-UseSpinning参数关闭自旋锁优化；-XX:PreBlockSpin参数修改默认的自旋次数。

自适应自旋锁

自适应意味着自旋的时间不再固定了，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定：

如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间，比如100个循环。
相反的，如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后要获取这个锁时将可能减少自旋时间甚至省略自旋过程，以避免浪费处理器资源。
自适应自旋解决的是“锁竞争时间不确定”的问题。JVM很难感知到确切的锁竞争时间，而交给用户分析就违反了JVM的设计初衷。自适应自旋假定不同线程持有同一个锁对象的时间基本相当，竞争程度趋于稳定，因此，可以根据上一次自旋的时间与结果调整下一次自旋的时间。

缺点
然而，自适应自旋也没能彻底解决该问题，如果默认的自旋次数设置不合理（过高或过低），那么自适应的过程将很难收敛到合适的值。

阅读参考

浅谈偏向锁、轻量级锁、重量级锁
Java并发编程：Synchronized底层优化（偏向锁、轻量级锁）