Java JVM 2: 锁优化

众所周知，多线程访问临界区资源会造成数据不一致问题，也就是通常说的线程不安全，锁存在的目的就是保证线程安全，但不能粗暴的对一切临界区资源加锁，在线程安全的前提下还要保证高并发，JVM对锁进行了多种优化措施。
本文这里的优化仅讨论jvm层面的优化，关于应用层面和jdk中关于锁的优化措施，参见：
对象头和markword:
java中对象都有一个对象头用于保存对象的系统信息。对象头中有mark word，32/64位机中长度为32/64。mark word中根据锁的不同类型存放有对象的哈希值、对象年龄、锁的指针等信息。
以32位系统为例：

• 对象处于未锁定状态时：[header |0|01]
  前29位表示哈希值、年龄等信息，倒数第三位0，最后两位01表示未锁定
• 偏向锁状态时：[JavaThread* |epoch|age|1|01]
  前23位表示持有偏向锁的线程，后续2位表示偏向锁的时间戳（epoch），对象年龄（age）
• 轻量级锁状态：[ptr |00] locked
  指向获得锁的线程栈中该对象的真实对象头
• 重量级锁状态：[prt |10 ] monitor
  指向monitor的指针

JVM中锁的演化与优化：

• 偏向锁
  使用-XX:+UseBiasedLocking参数开启，在竞争激烈的场合下意义不大，大量竞争会导致持有锁的线程不停的切换，锁很难保持在偏向模式。
• 轻量级锁
  偏向锁失败的话线程会申请轻量级锁，具体实现中有类似cas操作。
• 重量级锁
  轻量级锁失败后就会膨胀为重量级锁
  
  • 废弃前面的BasicLock备份的对象头信息
  • 启用重量级锁
    首先inflate()方法进行锁膨胀以获得对象的ObjectMonitor，然后使用enter()方法尝试进入该锁。
    enter()方法调用线程有可能在操作系统层面被挂起，这样线程间切换和调度的成本会比较高。
• 自旋锁
  锁膨胀后虚拟机会做最后的努力以避免线程被操作系统挂起，自旋锁使得线程在没有取得锁时不被挂起，执行一个空循环（所谓自旋），若干空循环后若线程可以获得锁则继续执行，否则被挂起。
  对于锁占用时间短的并发线程有益，对于单线程锁占用时间长的并发程序造成资源浪费。
• 锁消除
  通过上下文扫描，去除不存在共享资源竞争的锁。
  通过逃逸分析技术做到，开启参数：-XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+EliminateLocks。