JVM中的锁(中)：锁膨胀和锁消除

最新推荐文章于 2025-10-28 22:06:42 发布

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本文详细介绍了JVM中的锁机制，从自旋锁到重量级锁的膨胀过程。当轻量级锁加锁失败，经过自旋锁尝试后，会升级为重量级锁，利用mutexlock实现互斥。此外，还提到了锁消除技术，通过逃逸分析来优化性能，减少不必要的同步操作。

接着上一篇，偏向锁失效后JVM让线程去申请轻量级锁，轻量级锁就是一种乐观思想，举个例子，在写入数据时会先判断这个期间有没有其他线程修改过这个数据，具体方式是读出版本号or时间戳，如果没有，就可以加锁，进行写入修改，否则继续重复读出数据，比较，再写入，轻量级锁就是这么个思想，使用的也是CAS操作。如果轻量级锁获取失败，证明有多个线程在同时竞争这个对象，这时候临界区线程竞争激烈，如果想要保证数据完整性，就要采用更重量级别的锁，从偏向锁到轻量级锁，再到后面的重量级锁锁，都是一个锁膨胀过程。

锁膨胀

锁膨胀过程我打算还是回到偏向锁开始，当一个线程成功进入临界区访问资源时，会在自己的Java对象头中Mark Word中记录线程的id，让锁处于偏向状态，偏向该线程，这样当下一次有线程试图获取锁时，JVM先检查对象头中Mark Word里是否存有该线程的id，如果有，则直接进入，不需要任何同步操作。如果Mark Word中没有该线程的id，那么就要分两种情况判断，如果偏向锁标志位还是为1，证明偏向锁仍然有效，并没有多个线程同时竞争，只是当前访问临界区的线程不是之前偏向的线程，这时只要用一次CAS操作将对象头Mark Word中线程id指向当前请求的线程计科。如果偏向锁标志位为0，说明偏向锁已经失效，有多个线程进行了竞争，锁已经膨胀为轻量级锁。轻量级锁加锁时通过CAS操作尝试修改Java对象头，首先在Mark Word中保存当前线程的指针，然后将lock标志位修改为00；解锁则将biased_lock标志位设置为0，lock标志位设置为01，如果加锁或设置无锁状态时CAS操作失败，具体体现在线程进行CAS操作时，期待的值不是原本的Mark Word，而是一个指针，如果该指针指向当前线程，则说明这个线程已经获得了该锁，否则表明发生了竞争，锁膨胀为重量级锁。

自旋锁

不过，在膨胀为重量级锁前，JVM还会做一些挣扎，因为线程阻塞后再被唤醒对性能消耗还是挺大的，为了减少大量线程频繁上下文切换的情况，在线程锁膨胀前，会做几轮空循环，看看能不能尽快进入临界区，如果做了几轮空循环（也就是自旋）后，线程能够成功获得锁，那么线程就可以继续执行，否则几轮自旋操作后还没能获得锁，线程就真的被挂起了。通常自旋的次数为10次，

自旋锁的目的是希望线程能尽快获得锁，减少程序中线程阻塞的次数，但是否能优化性能是要分场景的，对于多线程占用锁时长很短的场景下，一个线程自旋后能够获得锁的几率很大，的确能大大减少线程被挂起的次数，让整个程序执行的更加连贯。但是，如果在多线程需要对数据进行长时间操作的场进下，因为线程占用锁的时间较长，即使其他线程进行自旋等待，也可能无法获得锁，这样就会浪费占用的CPU，最后还是要被挂起。

重量级锁

当线程尝试多次申请轻量级锁失败，且自旋也未能获得锁后，就会膨胀成为重量级锁，重量级锁就是用mutexlock来实现的互斥锁，是一种悲观锁，即悲观地认为每次操作数据时都会被其他线程修改，以防万一就都先上锁，这样别的线程试图访问这一临界区资源时就会阻塞，直到获得锁。锁升级为重量级锁把Mark Word中的lock标志位设置为10，biased_lock标志位为0，JVM检查到锁是重量级锁后，会把线程阻塞，等其他线程释放锁后，再唤醒阻塞的线程。

总的来说从偏向锁膨胀到重量级锁的过程如上图所示。

锁消除

我们知道Java程序是一边执行一边编译的，在JVM即时编译过程中会去扫描这些代码，做逃逸分析，看看那些对象是线程安全的，那么对于这些对象的访问就不用做同步操作，减少锁带来的性能损失。逃逸分析具体有对线程的逃逸分析和对方法的逃逸分析，拿方法逃逸举例，JVM检测某个对象在方法中被定义之后，会不会作为参数被外部方法引用，如果不会，表示该对象是线程安全的，那对象不会逃逸到方法之外，那么对该变量的访问就可以不做同步操作。事实上JVM就是这么做，在程序中对于一些不存在竞争的代码段，减少同步操作可以提升执行速度，用逃逸分析来得出那些不存在竞争的代码段，然后消除一些锁操作。逃逸分析可以用参数-XX:+EscapeAnalysis来开启，然后参数-XX:+EliminateLocks来开启锁消除，来看一个例子：


public class EliminateLockDemo {
	
	public static void main(String[] args) {
		StringBuffer buffer = new StringBuffer();
		String s1, s2;
		
		long startTime = System.currentTimeMillis();
		for(int i=0; i<100000; i++) {
			s1 = "dali";
			s2 = "haitang";
			buffer.append(s1);
			buffer.append(s2);
			buffer.toString();
		}
		long endTime = System.currentTimeMillis();
		System.out.println("耗时: " + (endTime-startTime) + "ms");
		
	}

}

程序很简单，就是不停地拼接字符串，因为append（）方法是同步操作，所以程序会产生大量加锁释放锁如果我们带有参数：

-XX:+DoEscapeAnalysis –XX:-EliminateLocks

来执行程序，也就是关闭了锁消除，执行时产生大量同步操作，耗费的时间也相对较多：