锁在Java虚拟机中的实现和优化

理解锁在Java虚拟机中的实现和优化之前，我们需要知道对象头和锁的关系。
在Java虚拟机的实现中每个对象都有一个对象头，用于保存对象的系统信息。对象头中有一个称为Mark Word的部分，
它是实现锁的关键，在32位系统中，Mark Word为32个比特位，64位系统中，为64个比特位。它是一个多功能的数据区，
可以存放对象的哈希值，对象的年龄，锁的指针等信息，一个对象是否占用锁，占用哪个锁，就记录在这个Mark Word中。
以32位系统为例，普通对象的对象头如下所示

hash:25 ----------------->| age:4   biased_lock:1 lock:2

它表示Mark Word中有25个比特位表示对象的哈希值，4个比特位表示对象年龄，1个比特位表示是否为“偏向锁”，2个比特位表示锁的信息。

偏向锁

偏向锁是JDK 1.6 提出的一种锁优化方式。其核心思想是，如果程序没有竞争，则取消之前已经取得锁的线程同步操作。
也就说，若某一锁被线程获取后，便进入偏向模式，当线程再次请求这个锁时，无需进行相关的同步操作，从而节省了操作时间。
如果在此之前有其他线程进行了锁请求，则锁退出偏向模式。
在JVM中使用-XX:+UseBiasedLocking可以设置启用偏向锁。

当锁对象处于偏向模式时，对象头会记录获取锁的线程

[JavaThread* | epoch | age | 1 | 10]

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，4个比特位表示对象年龄，
年龄后1位固定为1， 表示偏向锁，最后2位表示可偏向/未锁定。

这样，当该线程再次尝试获得锁时，通过Mark Word的线程信息就可以判断当前线程是否持有偏向锁。
偏向锁在锁竞争激烈的场合没有太强的优化效果，因为大量的竞争会导致持有锁的线程不停地切换，锁也很难一直保持在偏向模式，
此时，使用锁偏向不仅得不到性能的优化，反而有可能降低系统性能。

轻量级锁

如果偏向锁失败，Java虚拟机会让线程申请轻量级锁。
轻量级锁在虚拟机内部，使用一个称谓BasicObjectLock的对象实现，这个对象内部由一个BasicLock对象和一个持有该锁的Java对象指针组成。
BasicObjectLock对象放置在Java栈的栈帧中。在BasicLock对象内部还维护者displaced_header字段，他用于备份对象头部的Mark Word。
当一个线程持有一个对象的锁时，对象头部Mark Word如下：

[prt         | 00] locked

末尾两位比特为00，整个Mark Word为指向BasicLock对象的指针。
由于BasicObjectLock对象在线程栈中，因此该指针必然指向持有该锁的线程栈空间。
当需要判断某一线程是否持有该对象锁时，也只需简单的判断对象头的指针是否在当前线程的栈地址范围即可。
同时，BasicLock对象的displaced_header字段，备份了元对象的Mark Word内存。BasicObjectLock对象的obj字段则指向该对象。

在虚拟机的实现中，有关轻量级加锁的代码实现可读性较好，这里给出其核心实现代码：

markOop mark = obj->mark();
lock->set_displaced_header(mark)
if (mark == (markOop) Atomic::cmpxchg_ptr(lock, _addr(), mark)){
   TEVENT (slow_enter: release stacklock);
   return; 
}

首先， BasicLock通过set_displaced_header()方法备份了元对象的Mark Word。 接着使用CAS操作，尝试将BasicLock的地址复制到对象头的Mark Word。
如果复制成功，那么加锁成功，否则认为加锁失败。如果加锁失败，那么轻量级锁就有可能被膨胀为重量级锁。

锁膨胀

当轻量级锁失败，虚拟机就会使用重量级锁。在使用重量级锁时，对象的Mark Word如下：

[prt         | 10] monitor

末尾的2比特标记位被置为10。整个Mark Word表示指向monitor对象的指针。
在轻量级锁处理失败后，虚拟机会执行以下操作：

lock->set_displaced_header(markOopDesc::unused_mark());
ObjectSynchronizer::inflate(THREAD, obj()) -enter(THREAD);

第一步是废弃前面BasicLock备份的对象头信息，第二步则正式启用重量级锁。启用过程分为两步：

1. 通过inflate方法进行锁膨胀，其目的是获得对象的ObjectMonitor
2. 然后使用enter()方法尝试进入该锁
   在enter()方法的调用中，线程很可能会在操作系统层面被挂起。如果这样，线程间切换和调度的成本就会比较高。

   自旋锁

   锁膨胀后，进入ObjectMonitor的enter()，线程很可能会在操作系统层面被挂起，这样线程上下文切换的性能损失就比较大。
   因此，在锁膨胀后，虚拟机会做最后的争取，希望线程可以尽快进入临界区而避免被操作系统挂起。
   一种较为有效的手段就是使用自旋锁。

自旋锁可以使线程在没有取得锁时，不被挂起，而转而去执行一个空循环(即所谓的自旋)，
在若干个空循环后，线程如果可以获得锁，则继续执行。若线程依然不能获得锁，才会被挂起。

使用自旋锁后，线程被挂起的几率相对减少，线程执行的连贯性相对加强。
因此，对于那些锁竞争不是很激烈，锁占用时间很短的并发线程，具有一定的积极意义，
但对于锁竞争激烈，单线程锁占用时间长的并发程序，自旋锁在自旋等待后，往往依然无法获得对应的锁，
不仅仅白白浪费了CPU时间，最终还是免不了执行被挂起的操作，反而浪费了系统资源。

在JDK 1.6 中，Java虚拟机提供-XX:+UseSpinning参数来开启自旋锁，使用-XX:PreBlockSpin参数来设置自旋锁的等待次数。
在JDK 1.7中，自旋锁的参数被取消，虚拟机不再支持由用户配置自旋锁。自旋锁总是会执行，自旋次数也由虚拟机自行调整。

锁消除

锁消除是Java虚拟机在JIT编译时，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁。通过锁消除，可以节省毫无意义的请求锁时间。

锁消除主要针对在Java开发过程中，开发人员必然会使用一些JDK内置的API, 必然StringBuffer, Vector等。
这些常用的工具类可能会被大面积使用。虽然这些工具类本上可能有对应的非线程安全版本，必然StringBuilder, ArrayList等，
但是开发人员也很可能在完全没有多少线程竞争的场合中使用它们。

在这种情况下，这些工具类内部的同步方法就是不必要的。虚拟机可以在运行时，基于逃逸分析技术，捕获这些不可能存在竞争，却有申请锁的代码段，
并消除这些不必要的锁，从而提高系统性能。

逃逸分析和锁消除分别可以使用参数-XX:+DoEscapeAnalysis和-XX:+EliminateLocks开启（锁消除必须工作在-server模式下）