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当前位置: Java > Java并发高频面试题 > 36.jdk1.6为什么要对synchronized进行优化?做了哪些优化?

因为Java虚拟机是通过进入和退出Monitor对象来实现代码块同步和方法同步的,而Monitor是依靠底层操作系统的Mutex Lock来实现的,操作系统实现线程之间的切换需要从用户态转换到内核态,这个切换成本比较高,对性能影响较大。

jdk1.6对synchronized做了哪些优化?

锁的升级

在JDK1.6中,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,锁的状态变成了四种,无锁状态,偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态。锁的状态会随着竞争激烈逐渐升级,但通常情况下,锁的状态只能升级不能降级

锁升级
锁升级

偏向锁

常见面试题:偏向锁的原理(或偏向锁的获取流程)、偏向锁的好处是什么(获取偏向锁的目的是什么)

引入偏向锁的目的:减少只有一个线程执行同步代码块时的性能消耗,即在没有其他线程竞争的情况下,一个线程获得了锁。

偏向锁的获取流程:

  1. 检查对象头中Mark Word是否为可偏向状态,如果不是则直接升级为轻量级锁。
  2. 如果是,判断Mark Work中的线程ID是否指向当前线程,如果是,则执行同步代码块。
  3. 如果不是,则进行CAS操作竞争锁,如果竞争到锁,则将Mark Work中的线程ID设为当前线程ID,执行同步代码块。
  4. 如果竞争失败,升级为轻量级锁。

偏向锁的获取流程如下图:

获取偏向锁
获取偏向锁

偏向锁的撤销:

只有等到竞争,持有偏向锁的线程才会撤销偏向锁。偏向锁撤销后会恢复到无锁或者轻量级锁的状态。

  1. 偏向锁的撤销需要到达全局安全点,全局安全点表示一种状态,该状态下所有线程都处于暂停状态。
  2. 判断锁对象是否处于无锁状态,即获得偏向锁的线程如果已经退出了临界区,表示同步代码已经执行完了。重新竞争锁的线程会进行CAS操作替代原来线程的ThreadID。
  3. 如果获得偏向锁的线程还处于临界区之内,表示同步代码还未执行完,将获得偏向锁的线程升级为轻量级锁。

一句话简单总结偏向锁原理:使用CAS操作将当前线程的ID记录到对象的Mark Word中。

轻量级锁

引入轻量级锁的目的:在多线程交替执行同步代码块时(未发生竞争),避免使用互斥量(重量锁)带来的性能消耗。但多个线程同时进入临界区(发生竞争)则会使得轻量级锁膨胀为重量级锁。

  • 轻量级锁的获取流程:首先判断当前对象是否处于一个无锁的状态,如果是,Java虚拟机将在当前线程的栈帧建立一个锁记录(Lock Record),用于存储对象目前的Mark Word的拷贝,如图所示。
轻量级锁1
  • 将对象的Mark Word复制到栈帧中的Lock Record中,并将Lock Record中的owner指向当前对象,并使用CAS操作将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针,如图所示。
轻量级锁2
  • 如果第二步执行成功,表示该线程获得了这个对象的锁,将对象Mark Word中锁的标志位设置为“00”,执行同步代码块。
  • 如果第二步未执行成功,需要先判断当前对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧,如果是,表示当前线程已经持有了当前对象的锁,这是一次重入,直接执行同步代码块。如果不是表示多个线程存在竞争,该线程通过自旋尝试获得锁,即重复步骤2,自旋超过一定次数,轻量级锁升级为重量级锁。

轻量级锁的解锁:

轻量级的解锁同样是通过CAS操作进行的,线程会通过CAS操作将Lock Record中的Mark Word(官方称为Displaced Mark Word)替换回来。如果成功表示没有竞争发生,成功释放锁,恢复到无锁的状态;如果失败,表示当前锁存在竞争,升级为重量级锁。

一句话总结轻量级锁的原理:将对象的Mark Word复制到当前线程的Lock Record中,并将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。

自旋锁

Java锁的几种状态并不包括自旋锁,当轻量级锁的竞争就是采用的自旋锁机制。

什么是自旋锁:当线程A已经获得锁时,线程B再来竞争锁,线程B不会直接被阻塞,而是在原地循环 等待,当线程A释放锁后,线程B可以马上获得锁。

引入自旋锁的原因:因为阻塞和唤起线程都会引起操作系统用户态和核心态的转变,对系统性能影响较大,而自旋等待可以避免线程切换的开销。

自旋锁的缺点:自旋等待虽然可以避免线程切花的开销,但它也会占用处理器的时间。如果持有锁的线程在较短的时间内释放了锁,自旋锁的效果就比较好,如果持有锁的线程很长时间都不释放锁,自旋的线程就会白白浪费资源,所以一般线程自旋的次数必须有一个限制,该次数可以通过参数-XX:PreBlockSpin调整,一般默认为10。

自适应自旋锁:JDK1.6引入了自适应自旋锁,自适应自旋锁的自旋次数不在固定,而是由上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的。如果对于某个锁对象,刚刚有线程自旋等待成功获取到锁,那么虚拟机将认为这次自旋等待的成功率也很高,会允许线程自旋等待的时间更长一些。如果对于某个锁对象,线程自旋等待很少成功获取到锁,那么虚拟机将会减少线程自旋等待的时间。

偏向锁、轻量级锁、重量级锁的对比

优点缺点实用场景
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竞争,会额外带来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,同步块执行速度较慢
偏向锁、轻量级锁、重量级锁的对比

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