淺談Java鎖的膨脹過程以及一致性哈希對鎖膨脹的影響
1、鎖優化
在JDK6之前,通過synchronized來實現同步效率是很低的,被synchronized包裹的代碼塊經過javac編譯後,會在代碼塊前後加上monitorenter
和monitorexit
字節碼指令,被synchronized修飾的方法則會被加上ACC_SYNCHRONIZED
標識,不論是在字節碼中如何表示,作用和功能都是一樣的,線程要想執行同步代碼塊或同步方法,首先需要競爭鎖。
synchronized保證瞭任意時刻最多隻有一個線程可以競爭到鎖,那麼競爭不到鎖的的線程該如何處理呢?
在JDK6之前,Java直接通過OS級別的互斥量(Mutex)來實現同步,獲取不到鎖的線程被阻塞掛起,直到持有鎖的線程釋放鎖後再將其喚醒,這需要OS頻繁的將線程從用戶態切換到核心態,這個切換過程開銷是很大的,OS需要暫停原線程並保存數據,喚醒新線程並恢復數據,因此synchronized也被稱為“重量級鎖”。
也正是由於性能原因,開發者慢慢擯棄瞭synchronized,投入ReentrantLock
的懷抱。
官方意識到這個問題以後,便將“高效並發”作為JDK6的一個重要改進項目,經過開發團隊的重重優化,如今synchronized的性能已經和ReentrantLock保持在一個數量級瞭,雖然還是慢一丟丟,但是官方表示未來synchronized仍然有優化的餘地。
1.1、鎖消除
設計一個類時,考慮到存在並發安全問題,往往會對代碼塊上鎖。
但是有時候這個被設計為“線程安全”的類在使用時壓根就不存在多線程競爭,那麼還有什麼理由加鎖呢?
鎖消除優化得益於逃逸分析技術的成熟,即時編譯器在運行時會對代碼進行掃描,會對不存在共享數據競爭的鎖消除。
例如:在方法中(棧內存線程私有)實例化一個線程安全的類,該實例既沒有傳遞給其他方法,又沒有作為對象返回出去(沒有發生逃逸),那麼JVM就會對進行鎖消除。
如下代碼,盡管StringBuffer的append()是被synchronized修飾的,但是不存在線程競爭,鎖會消除。
public String method(){ StringBuffer sb = new StringBuffer(); sb.append("1");//append()是被synchronized修飾的 sb.append("2"); return sb.toString(); }
1.2、鎖粗化
由於鎖的競爭和釋放開銷比較大,如果代碼中對鎖進行瞭頻繁的競爭和釋放,那麼JVM會進行優化,將鎖的范圍適當擴大。
如下代碼,在循環內使用synchronized,JVM鎖粗化後,會將鎖范圍擴大到循環外。
public void method(){ for (int i= 0; i < 100; i++) { synchronized (this){ ... } } }
1.3、自旋鎖
當有多個線程在競爭同一把鎖時,競爭失敗的線程如何處理?
兩種情況:
- 將線程掛起,鎖釋放後再將其喚醒。
- 線程不掛起,進行自旋,直到競爭成功。
如果鎖競爭非常激烈,且短時間得不到釋放,那麼將線程掛起效率會更高,因為競爭失敗的線程不斷自旋會造成CPU空轉,浪費性能。
如果鎖競爭並不激烈,且鎖會很快得到釋放,那麼自旋效率會更高。因為將線程掛起和喚醒是一個開銷很大的操作。
自旋鎖的優化是針對“鎖競爭不激烈,且會很快釋放”的場景,避免瞭OS頻繁掛起和喚醒線程。
1.4、自適應自旋鎖
當線程競爭鎖失敗時,自旋和掛起哪一種更高效?
當線程競爭鎖失敗時,會自旋10次,如果仍然競爭不到鎖,說明鎖競爭比較激烈,繼續自旋會浪費性能,JVM就會將線程掛起。
在JDK6之前,自旋的次數通過JVM參數-XX:PreBlockSpin
設置,但是開發者往往不知道該設置多少比較合適,於是在JDK6中,對其進行瞭優化,加入瞭“自適應自旋鎖”。
自適應自旋鎖的大致原理:線程如果自旋成功瞭,那麼下次自旋的最大次數會增加,因為JVM認為既然上次成功瞭,那麼這一次也很大概率會成功。
反之,如果很少會自旋成功,那麼下次會減少自旋的次數甚至不自旋,避免CPU空轉。
1.5、鎖膨脹
除瞭上述幾種優化外,JDK6加入瞭新型的鎖機制,不直接采用OS級的“重量級鎖”,鎖類型分為:偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。隨著鎖競爭的激烈程度不斷膨脹,大大提升瞭競爭不太激烈的同步性能。
“synchronized鎖的是對象,而非代碼!”
每一個Java對象,在JVM中是存在對象頭(Object Header)的,對象頭中又分Mark Word和Klass Pointer,其中Mark Word就保存瞭對象的鎖狀態信息,其結構如下圖所示:
無鎖:初始狀態
一個對象被實例化後,如果還沒有被任何線程競爭鎖,那麼它就為無鎖狀態(01)。
偏向鎖:單線程競爭
當線程A第一次競爭到鎖時,通過CAS操作修改Mark Word中的偏向線程ID、偏向模式。如果不存在其他線程競爭,那麼持有偏向鎖的線程將永遠不需要進行同步。
輕量級鎖:多線程競爭,但是任意時刻最多隻有一個線程競爭
如果線程B再去競爭鎖,發現偏向線程ID不是自己,那麼偏向模式就會立刻不可用。即使兩個線程不存在競爭關系(線程A已經釋放,線程B再去獲取),也會升級為輕量級鎖(00)。
重量級鎖:同一時刻多線程競爭
一旦輕量級鎖CAS修改失敗,說明存在多線程同時競爭鎖,輕量級鎖就不適用瞭,必須膨脹為重量級鎖(10)。此時Mark Word存儲的就是指向重量級鎖(互斥量)的指針,後面等待鎖的線程必須進入阻塞狀態。
2、鎖膨脹實戰
說瞭這麼多,理論終歸是理論,不如實戰一把來的直接。
通過編寫一些多線程競爭代碼,以及打印對象的頭信息,來分析哪些情況下鎖會膨脹,以及膨脹成哪種類型的鎖。
2.1、jol工具
openjdk提供瞭jol工具,可以打印對象的內存佈局信息,依賴如下:
<dependency> <groupId>org.openjdk.jol</groupId> <artifactId>jol-core</artifactId> <version>0.9</version> </dependency>
2.2、鎖膨脹測試代碼
程序啟動時先sleep5秒是為瞭等待偏向鎖系統啟動。
編寫一段鎖逐步膨脹的測試代碼,如下所示:
public class LockTest { static class Lock{} public static void main(String[] args) { sleep(5000); Lock lock = new Lock(); System.err.println("無鎖"); print(lock); synchronized (lock) { //main線程首次競爭鎖,可偏向 System.err.println("偏向鎖"); print(lock); } new Thread(()->{ synchronized (lock){ //線程A來競爭,偏向線程ID不是自己,升級為:輕量級鎖 System.err.println("輕量級鎖"); print(lock); } },"Thread-A").start(); sleep(2000); new Thread(()->{ synchronized (lock){ sleep(1000); } },"Thread-B").start(); //確保線程B啟動並獲得鎖,sleep 100毫秒 sleep(100); synchronized (lock){ //main線程競爭時,線程B還未釋放,多線程同時競爭,升級為:重量級鎖 System.err.println("重量級鎖"); print(lock); } } static void print(Object o){ System.err.println("==========對象信息開始...=========="); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable()); //jol異步輸出,防止打印重疊,sleep1秒 sleep(1000); System.err.println("==========對象信息結束...=========="); } static void sleep(long l){ try { Thread.sleep(l); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }
2.3、輸出分析
運行後分析一下控制臺輸出信息,這裡貼上截圖並寫上註釋:
無鎖
偏向鎖
輕量級鎖
重量級鎖
以上,就是JVM中鎖逐步膨脹的過程,另外:鎖不支持回退撤銷。
2.4、鎖釋放
偏向鎖是不會主動釋放的,隻要沒有其他線程競爭,會永遠偏向持有鎖的線程,這樣在以後的執行中,都不用再進行同步處理瞭,節省瞭同步開銷。
public static void main(String[] args) { sleep(5000); Lock lock = new Lock(); synchronized (lock){ System.err.println("Main線程首次競爭鎖"); print(lock); } System.out.println(); sleep(1000); System.err.println("同步代碼塊退出以後"); print(lock); }
輕量級和重量級鎖均會主動釋放,這裡隻貼出輕量級鎖。
public static void main(String[] args) { sleep(5000); Lock lock = new Lock(); synchronized (lock){ //偏向鎖 } new Thread(()->{ synchronized (lock){ System.err.println("輕量級鎖"); print(lock); } },"Thread-A").start(); sleep(5000); System.err.println("\n線程A釋放鎖後"); print(lock); }
重量級鎖類似,這裡就不貼測試結果瞭。
3、一致性哈希對鎖膨脹的影響
一個對象如果計算過哈希碼,就應該一直保持該值不變(強烈推薦但不強制,因為用戶可以重載hashCode()方法按自己的意願返回哈希碼)。
在Java中,如果類沒有重寫hashCode(),那麼會自動繼承自Object::hashCode(),Object::hashCode()就是一致性哈希,隻要計算過一次,就會將哈希碼寫入到對象頭中,且永遠不會改變。
和具體的哈希算法有關,JVM裡有五種哈希算法,通過參數
-XX:hashCode=[0|1|2|3|4]
指定。
隻要對象計算過一致性哈希,偏向模式就置為0瞭,也就意味著該對象鎖不能再偏向瞭,最低也會膨脹會輕量級鎖。
如果對象鎖處於偏向模式時遇到計算一致性哈希請求,那麼會跳過輕量級鎖模式,直接膨脹為重量級鎖。
鎖膨脹為輕量級或重量級鎖後,Mark Word中保存的分別是線程棧幀裡的鎖記錄指針和重量級鎖指針,已經沒有位置再保存哈希碼,GC年齡瞭,那麼這些信息被移動到哪裡去瞭呢?
升級為輕量級鎖時,JVM會在當前線程的棧幀中創建一個鎖記錄(Lock Record)空間,用於存儲鎖對象的Mark Word拷貝,哈希碼和GC年齡自然保存在此,釋放鎖後會將這些信息寫回到對象頭。
升級為重量級鎖後,Mark Word保存的重量級鎖指針,代表重量級鎖的ObjectMonitor類裡有字段記錄無鎖狀態下的Mark Word,鎖釋放後也會將信息寫回到對象頭。
代碼實戰,跳過偏向鎖,直接膨脹輕量級鎖
public static void main(String[] args) { sleep(5000); Lock lock = new Lock(); //沒有重寫,一致性哈希,重寫後無效 lock.hashCode(); synchronized (lock){ System.err.println("本應是偏向鎖,但是由於計算過一致性哈希,會直接膨脹為輕量級鎖"); print(lock); } }
偏向鎖過程中遇到一致性哈希計算請求,立馬撤銷偏向模式,膨脹為重量級鎖
public static void main(String[] args) { sleep(5000); Lock lock = new Lock(); synchronized (lock){ //沒有重寫,一致性哈希,重寫後無效 lock.hashCode(); System.err.println("偏向鎖過程中遇到一致性哈希計算請求,立馬撤銷偏向模式,膨脹為重量級鎖"); print(lock); } }
4、鎖性能測試
這裡隻做瞭一個簡單的測試,實際應用環境比測試環境要復雜的多。
單線程下,各類型鎖性能測試:
public class PerformanceTest { final static int TEST_COUNT = 100000000; static class Lock{} public static void main(String[] args) { sleep(5000); System.err.println("各類型鎖性能測試"); Lock lock = new Lock(); long start; long end; start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < TEST_COUNT; i++) { } end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("無鎖:" + (end - start)); //偏向鎖 biasedLock(lock); start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < TEST_COUNT; i++) { synchronized (lock) {} } end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("偏向鎖耗時:" + (end - start)); //輕量級鎖 lightweightLock(lock); start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < TEST_COUNT; i++) { synchronized (lock) {} } end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("輕量級鎖耗時:" + (end - start)); //重量級鎖 weightLock(lock); start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < TEST_COUNT; i++) { synchronized (lock) {} } end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("重量級鎖耗時:" + (end - start)); } static void biasedLock(Object o){ synchronized (o){} } //將鎖升級為輕量級 static void lightweightLock(Object o){ biasedLock(o); Thread thread = new Thread(() -> { synchronized (o) {} }); thread.start(); try { thread.join(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } //將鎖升級為重量級 static void weightLock(Object o){ lightweightLock(o); Thread t1 = new Thread(() -> { synchronized (o){ sleep(1000); } }); Thread t2 = new Thread(() -> { synchronized (o){ sleep(1000); } }); t1.start(); t2.start(); try { t1.join(); t2.join(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } static void sleep(long l){ try { Thread.sleep(l); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }
各類型鎖性能測試
無鎖:6
偏向鎖耗時:252
輕量級鎖耗時:2698
重量級鎖耗時:1471
由於是單線程,不涉及鎖競爭,重量級鎖反而比輕量級鎖更快,因為不需要OS對線程進行額外的調度,線程無需掛起和喚醒,而且不用拷貝Mark Word。
在多線程競爭環境下,重量級鎖性能下降是毋庸置疑的,如下測試:
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { System.err.println("多線程測試"); Lock lock = new Lock(); long start; long end; //輕量級鎖 lightweightLock(lock); start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < TEST_COUNT; i++) { synchronized (lock) {} } end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("輕量級鎖耗時:" + (end - start)); //重量級鎖 weightLock(lock); Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < TEST_COUNT / 2; i++) { synchronized (lock) {} } }); Thread t2 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < TEST_COUNT / 2; i++) { synchronized (lock) {} } }); t1.start(); t2.start(); start = System.currentTimeMillis(); t1.join(); t2.join(); end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("重量級鎖耗時:" + (end - start)); }
多線程測試
輕量級鎖耗時:2581
重量級鎖耗時:4460
實際的應用環境遠比測試環境復雜的多,鎖性能和線程競爭的激烈程度、鎖占用的時間也有很大關系,測試結果僅供參考。
到此這篇關於淺談Java鎖的膨脹過程以及一致性哈希對鎖膨脹的影響的文章就介紹到這瞭,更多相關Java鎖膨脹內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet!
推薦閱讀:
- Java synchronized偏向鎖的核心原理詳解
- Java synchronized輕量級鎖的核心原理詳解
- 新手初學Java網絡編程
- Java多線程Thread類的使用及註意事項
- Java synchronized輕量級鎖實現過程淺析