JUC并发编程之Synchronized锁优化

1. Java对象头

HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

对象头是对象在内存中的元数据信息，它包含了对象的一些重要信息，如对象的锁状态、类元数据指针、数组长度等。对象头是Java虚拟机（JVM）管理和操作对象的关键部分。

Java对象头通常包括以下信息：

Mark Word（标记字）：Mark Word是对象头中最重要的部分，占据了对象头的大部分空间。它包含了对象的哈希码、锁信息、垃圾回收信息等。Mark Word的具体结构因JVM实现而异，通常包括以下内容：

对象标志位：用于标识对象的状态，例如是否被锁定、是否已经被回收等。

哈希码：用于支持hashCode方法，以及在哈希表中查找对象的位置。

分代年龄：用于垃圾回收的分代算法，标记对象所属的年代。

锁信息：用于支持同步操作，包括偏向锁、轻量级锁和重量级锁的状态信息。

类型指针：类型指针指向对象的类元数据，它用于确定对象所属的类，以支持对象的方法调用和字段访问。

数组长度（仅对数组对象有效）：如果对象是数组，对象头中会包括数组长度信息。

对象头的结构和大小可能会因不同的JVM实现和对象类型而异。对象头通常占用一定的内存空间，因此它会增加每个对象的内存开销。对象头的信息对于垃圾回收、同步和虚拟机运行时的对象操作非常重要。其中Mark Word结构如下图所示。

2. Synchronized锁优化

jdk1.6之前，synchronized属于重量级锁(悲观锁) ，jdk1.6之后被进行了大幅度优化，支持锁升级制度缓解加锁和解锁造成的性能费，锁的级别采用: 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁。

原子性： synchronized依靠两个字节码指令monitorenter和monitorexit,可以保证被synchronized修饰的代码在同一时间只能被一个线程访问

可见性： JMM（Java内存模型）规定，内存主要分为主内存和工作内存两种，每个线程拥有不同的工作内存,线程工作时会从主内存中拷贝一份变量到工作内存中。代码执行后，有时工作内存中的变量无法及时刷新到主内存中,或者工作内存无法及时获取主内存的最新值,导致共享变量在不同线程间处于不可见性,由此JMM对synchronized做了2条规定：

a.线程解锁前，必须把变量的最新值刷新到主内存中。

b.线程加锁时，先清空工作内存中的变量值，从主内存中重新获取最新值到工作内存中

.有序性： 有时候编译器和处理器为了提升代码效率,会进行指令重排序,但是as-if-serial规定无论怎么重排序,单线程程序的执行结果都不能被改变,而synchronized保证了被修饰的程序在同一时间内只能被同一线程访问， 所以其也算是保证了有序性,但synchronized实际上并不是禁止了被修饰的代码指令重排序。

2.1 偏向锁

偏向锁的思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时，Mark Word的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作即可再次获取锁，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能。所以对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果，但是在有多线程竞争锁的场合，偏向锁就失效了，这种场合下不应该使用偏向锁，否则会得不偿失，偏向锁失败后，将会优先升级为轻量级锁 基本工作过程：

当线程A访问代码块并获取锁对象时，会通过CAS在Mark Word中记录偏向的锁的threadID,因为偏向锁不会主动释放锁，因此以后再次获取锁的时候，需要比较当前线程的 threadID 和 Mark Word 中的threadID是否一致，如果一致，则无需使用CAS来加锁、解锁；如果不一致，则是因为有其他线程如线程b 来竞争该锁，而偏向锁时不会主动释放锁，因此 Mark Word 存储的还是 线程a 的threadID，那么需要查看 Mark Word 中记录的 线程a 是否存活，如果没有存活，那么锁对象被重置为无锁状态，线程b 可以竞争将其设置为偏向锁；如果存活，那么立刻查找线程a的栈帧信息，如果还是需要继续持有这个锁， 那么暂停当前线程a，撤销偏向锁，升级为轻量级锁，如果 线程不再使用该锁，那么将锁状态设为无锁状态，重新偏向新的线程。

在java中偏向锁是默认开启的，绝大多数 情况下，对于加锁的程序大多都会有两个以上的线程去竞争，如果开启偏向锁，反而会加剧锁的资源消耗，可以通过jvm参数启动或关闭偏向锁：

-XX:-UseBiasedLocking = false
    //偏向锁的启动延迟默认为5秒，可以取消这个延迟：
XX:BiasedLockingStartUpDelay=0

2.2 轻量级锁

当多个线程竞争同一个锁时，偏向锁将转化为轻量级锁。轻量级锁通过CAS（Compare and Swap）操作来尝试获取锁，而不会让线程阻塞。如果CAS操作成功，线程获得锁；否则，线程将升级为重量级锁。轻量级锁是由偏向锁升级而来，它考虑的情况是竞争锁的线程不多，而且线程持有锁的时间也不长的情景。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争”。轻量级锁加锁流程如下图所示。

2.3 重量级锁

当轻量级锁无法满足需求，多个线程仍然竞争同一个锁时，锁会升级为重量级锁。在这种情况下，线程将阻塞，直到获取锁。

2.4 锁消除

锁消除是一种Java虚拟机（JVM）和编译器进行的优化技术，用于自动消除不必要的锁操作，以提高程序的性能。锁消除通常用于优化多线程程序中的同步操作。如果编译器确定某个锁的作用域在程序中是局限的，即锁只在某个特定的线程范围内使用，那么它就有可能被消除。代码示例如下：

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        int count=0;
        for(int i=0;i<100;i++){
            Object ob=new Object();
            synchronized (ob){
                count++;
            }
        }
    }
}

2.5 各种锁对比

参考：

链接：https://juejin.cn/post/7292955463955906560