Java 内存模型

封面来源：由博主个人绘制，如需使用请联系博主。

参考链接：黑马程序员JVM快速入门

本文涉及的代码：mofan212/jvm-demo

除特别注明外，本文内容都基于 JDK 1.8

1. Java 内存模型

注意「Java 内存结构」和「Java 内存模型」的区别，「Java 内存模型」指的是 Java Memory Model，即 JMM。

更权威的解释参考：JSR-133 Java Memory Model and Thread Specification 1.0 Proposed Final Draft

简单来说，JMM 定义了一套在多线程读写共享数据（成员变量、数组）时，对数据的可见性、有序性和原子性的规则和保障。

2. 原子性

2.1 自增与自减

所谓原子性，即一个操作或者多个操作，要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

通过一个例子回顾一下：有一个初始值为 0 的静态变量，一个线程对其自增，一个线程对其自减，进行 5000 次，最终结果会是 0 吗？

结果不一定是 0。

static int i = 0;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int j = 0; j < 5000; j++) {
            i++;
        }
    });

    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int j = 0; j < 5000; j++) {
            i--;
        }
    });

    t1.start();
    t2.start();

    t1.join();
    t2.join();

    System.out.println(i);
}

2.2 问题分析

以上的结果可能是正数、负数和零，为什么呢？

因为 Java 中对静态变量的自增、自减操作并不是原子操作。

对于 i++ 而言（i 是静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：

getstatic     i // 获取静态变量 i 的值
iconst_1        // 准备常量 1
iadd            // 加法
pubstatic     i // 将修改后的值存入静态变量 i

对应 i-- 也是类似：

getstatic     i // 获取静态变量 i 的值
iconst_1        // 准备常量 1
isub            // 减法
pubstatic     i // 将修改后的值存入静态变量 i

Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增、自减需要在主内存和线程内存（工作内存）中进行数据交换：

如果是在单线程中，上述 8 行指令是顺序执行的，不会出现交错执行：

// 假设 i 的初始值是 0
getstatic     i // 线程 1 - 获取静态变量 i 的值，线程内 i = 0
iconst_1        // 线程 1 - 准备常量 1
iadd            // 线程 1 - 自增，线程内 i = 1
pubstatic     i // 线程 1 - 将修改后的值存入静态变量 i，静态变量 i = 1
getstatic     i // 线程 1 - 获取静态变量 i 的值，线程内 i = 1
iconst_1        // 线程 1 - 准备常量 1
isub            // 线程 1 - 自减，线程内 i = 0
pubstatic     i // 线程 1 - 将修改后的值存入静态变量 i，静态变量 i = 0

但在多线程的环境下，这 8 行指令可能会交错执行，导致最终结果错误。

出现负数的情况：

// 假设 i 的初始值是 0
getstatic     i // 线程 1 - 获取静态变量 i 的值，线程内 i = 0
getstatic     i // 线程 2 - 获取静态变量 i 的值，线程内 i = 0
iconst_1        // 线程 1 - 准备常量 1
iadd            // 线程 1 - 自增，线程内 i = 1
pubstatic     i // 线程 1 - 将修改后的值存入静态变量 i，静态变量 i = 1
iconst_1        // 线程 2 - 准备常量 1
isub            // 线程 2 - 自减，线程内 i = -1
pubstatic     i // 线程 2 - 将修改后的值存入静态变量 i，静态变量 i = -1

出现正数的情况：

// 假设 i 的初始值是 0
getstatic     i // 线程 1 - 获取静态变量 i 的值，线程内 i = 0
getstatic     i // 线程 2 - 获取静态变量 i 的值，线程内 i = 0
iconst_1        // 线程 1 - 准备常量 1
iadd            // 线程 1 - 自增，线程内 i = 1
iconst_1        // 线程 2 - 准备常量 1
isub            // 线程 2 - 自减，线程内 i = -1
pubstatic     i // 线程 2 - 将修改后的值存入静态变量 i，静态变量 i = -1
pubstatic     i // 线程 1 - 将修改后的值存入静态变量 i，静态变量 i = 1

2.3 解决方法

使用关键字 synchronized。

语法：

synchronized ( 对象 ) {
    要作为原子操作的代码
}

使用 synchronized 优化先前的自增、自减代码：

static int i = 0;

static final Object obj = new Object();

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int j = 0; j < 5000; j++) {
            // 加锁、减锁操作会执行 5000 次，更建议将其放到 for 循环外
            synchronized (obj) {
                i++;
            }
        }
    });

    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int j = 0; j < 5000; j++) {
            synchronized (obj) {
                i--;
            }
        }
    });

    t1.start();
    t2.start();

    t1.join();
    t2.join();

    System.out.println(i);
}

如何理解呢？

可以把 obj 想象成一个房间，线程 t1，t2 想象成两个人。当线程 t1 执行到 synchronized (obj) 时就好比 t1 进入了这个房间，并反手锁住了门，在门内执行 i++ 代码。这时候如果 t2 也运行到了synchronized (obj)，它发现门被锁住了，就只能在门外等待。

当 t1 执行完 synchronized 块内的代码后，才会解开门上的锁，从 obj 房间里出来，t2 线程这时才可以进入 obj 房间，反锁住门，执行它的 i-- 代码。

注意：上例中 t1 和 t2 线程必须用 synchronized 锁住同一个 obj 对象，如果 t1 锁住的是 m1对象，t2 锁住的是 m2 对象，就好比两个人分别进入了两个不同的房间，没法起到同步的效果。

3. 可见性

3.1 退不出的循环

在下列代码中，main 线程对 run 变量的修改对于 t 线程不可见，导致 t 线程无法停止：

static boolean run =  true;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t = new Thread(() -> {
        while (run) {
            // ...
        }
    });

    t.start();

    Thread.sleep(1000);

    // 线程 t 并不按预想的那样停下来
    run = false;
}

这是为什么呢？

初始状态下，t 线程刚开始从主内存中读取了 run 的值到工作内存中：

因为 t 线程需要频繁从主内存中读取 run 的值，JIT 编译器会将 run 的值缓存到自己工作内存中的高速缓存中，减少对主内存中 run 的访问，以提高效率：

1 秒后，main 线程修改了 run 的值，并同步至主内存，而 t 线程还是从自己工作内存中的高速缓存中读取这个变量的，结果永远是旧值：

3.2 解决方法

使用 volatile （易变的）关键字。

它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，避免线程从自己的工作缓存中查找变量值，而是必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存。

static volatile boolean run =  true;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t = new Thread(() -> {
        while (run) {
            // ...
        }
    });

    t.start();

    Thread.sleep(1000);

    // 线程 t 并不按预想的那样停下来
    run = false;
}

3.3 可见性

先前例子体现的就是可见性，它保证在多个线程之间，一个线程对 volatile 变量的修改对另一个线程可见，不能保证原子性， 仅用在一个写线程，多个读线程的情况。

从字节码角度可以这样理解：

getstatic     run // 线程 t 获取 run true
getstatic     run // 线程 t 获取 run true
getstatic     run // 线程 t 获取 run true
getstatic     run // 线程 t 获取 run true
getstatic     run // 线程 main 修改 run 为 false，仅此一次
getstatic     run // 线程 t 获取 run false

synchronized 语句块既可以保证代码块的原子性，也同时保证代码块内变量的可见性，但 synchronized 是重量级操作，性能相对更低。

如果不使用 volatile 关键字，而是在死循环内部加入 System.out.println() 方法，会发现线程 t 也能正常停止，这是为什么呢？

// PrintStream
public void println(boolean x) {
    synchronized (this) {
        print(x);
        newLine();
    }
}

这是因为在 println() 方法内部使用了 synchronized 关键字，保证了主内存和工作内存之间的数据一致。

4. 有序性

4.1 诡异的结果

int num = 0;
boolean ready = false;

// 线程 1 执行此方法
public void actor1(I_Result r) {
    if (ready) {
        r.r1 = num + num;
    } else {
        r.r1 = 1;
    }
}

// 线程 2 执行此方法
public void actor2(I_Result r) {
    num = 2;
    ready = true;
}

I_Result 是一个对象，内部有一个 r1 属性来保存结果，请问 r1 有几种可能？

1. 线程 1 先执行，这时 ready = false，所以进入 else 分支结果为 1
2. 线程 2 先执行 num = 2，但没来得及执行 ready = true，线程 1 执行，还是进入 else 分支，结果为 1
3. 线程 2 执行到 ready = true，线程 1 执行，进入 if 分支，结果为 4（因为在线程 2 执行到 ready = true 时，把 num = 2 执行了）

实际情况并不只是上述 3 种情况，结果还可能是 0：

• 线程 2 执行 ready = true，切换到线程 1，进入 if 分支，相加为 0（num = 2 还未被执行），然后再切回线程 2 执行 num = 2。

WTF？怎么会这样？ 😵‍💫

这种现象叫做指令重排，是 JIT 编译器在运行时进行的一些优化，这个现象需要通过大量测试才能复现。

可以借助 OpenJDK: jcstress 来复现。

新建 Maven 项目，添加 jcstress 依赖：

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jcstress</groupId>
    <artifactId>jcstress-core</artifactId>
    <version>0.16</version>
</dependency>

提供以下测试类：

@State
@JCStressTest
@Outcome(id = {"1", "4"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ok")
@Outcome(id = {"0"}, expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "!!!")
public class ConcurrencyTest {
    int num = 0;
    boolean ready = false;

    public ConcurrencyTest() {
    }

    @Actor
    public void actor1(I_Result r) {
        if (ready) {
            r.r1 = num + num;
        } else {
            r.r1 = 1;
        }
    }

    @Actor
    public void actor2(I_Result r) {
        num = 2;
        ready = true;
    }
}

执行下列 Maven 命令，对项目进行打包：

mvn clean package

配置 ConcurrencyTest 的运行方式：

运行后会有类似以下结果：

RESULT      SAMPLES     FREQ       EXPECT  DESCRIPTION
       0       43,219    0.01%  Interesting  !!!
       1  128,331,985   43.27%   Acceptable  ok
       4  168,193,647   56.71%   Acceptable  ok

可以看到，确实存在结果为 0 的情况，只不过占比很少，只有 0.01%。

4.2 解决方法

使用 volatile 关键词对 ready 成员变量进行修饰：

volatile boolean ready = false;

也就是说，volatile 不仅可以保证可见性，还可以避免指令重排，但记住不能保证原子性。

用相同的方式再次运行 ConcurrencyTest，结果出现：

Interesting tests: No matches.

也就是没有出现结果为 0 的情况。

4.3 理解有序性

同一个线程内，JVM 会在不影响正确性的前提下调整语句的执行顺序：

static int i;
static int j;

// 在某个线程内执行如下赋值操作
i = ...; // 较为耗时的操作
j = ...;

可以看到，至于是先执行 i 还是先执行 j，对最终结果都不会产生影响。所以上述代码真正执行时的顺序可以是：

i = ...; // 较为耗时的操作
j = ...;

也可以是：

j = ...;
i = ...; // 较为耗时的操作

这种特性被称为「指令重排」，多线程下「指令重排」会影响正确性，比如著名的 double-checked locking 单例模式：

public final class Singleton {
    private Singleton() {
    }

    private static Singleton INSTANCE = null;

    public static Singleton getInstance() {
        // 实例还没创建，才进入内部的 synchronized 代码块，减少锁的粒度
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                // 也许有其他线程已经创建实例，所以再判断一次
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new Singleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

上述单例模式的特点是：

• 懒惰实例化
• 首次使用 getInstance() 才使用 synchronized 加锁，后续使用时无需加锁

但在多线程环境下，上述实现存在问题，INSTANCE = new Singleton(); 对应的字节码是：

0: new               #2                                 // class indi/mofan/Singleton
3: dup
4: invokespecial     #3                                 // Method "<init>":()V
7: putstatic         #4                                 // Field INSTANCE:Lindi/mofan/Singleton;

其中 4、7 两步的顺序不是固定的，也许 JVM 会优化为：先将引用地址赋值给 INSTANCE 变量后，再执行构造方法，如果两个线程 t1、t2 按如下时间序列执行：

时间 1 t1 线程执行到 INSTANCE = new Singleton();
时间 2 t1 线程分配空间，为 Singleton 对象生成了引用地址（0 处）
时间 3 t1 线程将引用地址赋值给 INSTANCE，这时 INSTANCE != null 成立（7 处）
时间 4 t2 线程进入 getInstance() 方法，发现 INSTANCE != null（synchronized 块外)，直接返回 INSTANCE
时间 5 t1 线程执行 Singleton 的构造方法（4 处）

这时 t1 还未完全将构造方法执行完毕，如果在构造方法中要执行许多初始化操作，那么 t2 拿到的将是一个未初始化完毕的单例对象。

解决方法也很简单，对 INSTANCE 使用 volatile 关键字修饰即可，禁用指令重排。

4.4 happens-bofore

happens-bofore 规定了哪些写操作对其他线程的读操作可见，它是可见性和有序性的一套规则总结。

• 线程解锁前对变量 m 的写，对接下来其他线程对 m 加锁时的读可见

  static int x;
  static Object m = new Object();
  
  new Thread(() -> {
      synchronized (m) {
          x = 10;
      }
  }, "t1").start();
  
  new Thread(() -> {
      synchronized (m) {
          System.out.println(x);
      }
  }, "t2").start();

• 线程对 volatile 变量的写，对接下来其他线程对改变的读可见

  static volatile int x;
  
  new Thread(() -> {
      x = 10;
  }, "t1").start();
  
  new Thread(() -> {
      System.out.println(x);
  }, "t2").start();

• 线程 start 前对变量的写，对该线程 start 后对该变量的读可见

  static int x;
  x = 10;
  new Thread(() -> System.out.println(x), "t2").start();

• 线程结束前对变量的写，对其他线程得知它结束后的读可见（比如其他线程调用 t1.isAlive() 或 t1.join() 等待 t1 线程结束）

  static int x;
  
  Thread t1 = new Thread(() -> x = 10, "t1");
  t1.start();
  
  t1.join();
  System.out.println(x);

• 线程 t1 打断 t2（interrupt）前对变量的写，对于其他线程得知 t2 被打断后对变量的读可见（通过 t2.interrupt() 或 t2.isInterrupted()）

  static int x;
  
  public static void main(String[] args) {
      Thread t2 = new Thread(() -> {
          while (true) {
              if (Thread.interrupted()) {
                  System.out.println(x);
                  break;
              }
          }
      }, "t2");
      t2.start();
  
      new Thread(() -> {
          try {
              Thread.sleep(1000);
          } catch (InterruptedException e) {
              throw new RuntimeException(e);
          }
          x = 10;
          t2.interrupt();
      }, "t1").start();
  
      while (!t2.isInterrupted()) {
          Thread.yield();
      }
      System.out.println(x);
  }

• 对变量默认值（0、false 和 null）的写，对其他线程对该变量的读可见

• 具有传递性，如果 x happens-bofore y，y happens-bofore z，那么 x happens-bofore z

注意： 上述所说的 变量 都是指静态变量或成员变量。

5. CAS 与原子类

5.1 CAS

CAS 即 Compare and Swap，体现了一种乐观锁的思想，比如多个线程要对一个共享的整型变量执行 +1 操作：

// 不断尝试
while (true) {
    // 比如拿到当前值 0
    int 旧值 = 共享变量;
    // 在旧值 0 的基础上增加 1，正确结果是 1
    int 结果 = 旧值 + 1;
    
    /**
     * 这时候如果其他线程把共享变量的值改成了 5，当前线程的正确结果 1 就作废了，这时候
     * compareAndSwap 返回 false，尝试重试，直到：
     * compareAndSwap 返回 true，表示当前线程进行修改时别的线程没有进行干扰
     */
    if (compareAndSwap(旧值, 结果)) {
        // 成功，退出循环
    }
}

获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，这适用于竞争不激烈、多核CPU的场景下。

• 因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，在执行效率上有有所提升
• 但如果竞争激烈，可以想到必然频繁发生重试，效率反而会下降

CAS 底层依赖于 Unsafe 类直接调用操作系统底层的 CAS 指令，下面是直接使用 Unsafe 对象进行线程安全保护的一个例子：

public class TestCAS {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        DataContainer dc = new DataContainer();
        int count = 5;

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < count; i++) {
                dc.increase();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < count; i++) {
                dc.decrease();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(dc.getData());
    }
}

class DataContainer {

    // data 必须被 volatile 修饰，保证其可见性
    private volatile int data;
    static final Unsafe UNSAFE;
    static final long DATA_OFFSET;

    static {
        try {
            // Unsafe 对象不能直接调用，只能通过反射获得
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            UNSAFE = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
            throw new Error(e);
        }

        try {
            // data 属性在 DataContainer 对象中的偏移量，用于 Unsafe 直接访问该属性
            DATA_OFFSET = UNSAFE.objectFieldOffset(DataContainer.class.getDeclaredField("data"));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    public void increase() {
        int oldValue;
        while (true) {
            // 获取共享变量旧值，可以在这一行加入断点，修改 data 进行调试以加深理解
            oldValue = this.data;
            /*
             * cas 尝试修改 data 为「旧值 + 1」，如果修改期间旧值被其他变量改了，则返回 false
             * 流程如下：
             * 1. 通过 this 和 DATA_OFFSET 获取到当前对象中 data 的最新值
             * 2. 使用 data 的最新值与 oldValue 进行比较
             * 3. 如果两者不等，则有其他线程干扰，返回 false，本次修改失败
             * 4. 如果两者相等，则没有其他线程干扰，执行 oldValue + 1 操作，并将结果设置给 data，最终返回 true
             */
            if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue + 1)) {
                return;
            }
        }
    }

    public void decrease() {
        int oldValue;
        while (true) {
            oldValue = this.data;
            if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue - 1)) {
                return;
            }
        }
    }

    public int getData() {
        return data;
    }
}

5.2 乐观锁与悲观锁

CAS 基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量：「就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗」。

synchronized 关键字基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量：「我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会」。

5.3 原子操作类

JUC（java.util.concurrent）中提供了原子操作类，可以提供线程安全的操作，例如 AtomicInteger、AtomicBoolean 等，它们底层采用了 CAS + volatile 来实现的。

使用 AtomicInteger 改写先前的例子：

private static final AtomicInteger I = new AtomicInteger(0);

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int j = 0; j < 5000; j++) {
            // i++
            I.getAndIncrement();
        }
    });

    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int j = 0; j < 5000; j++) {
            // i--
            I.getAndDecrement();
        }
    });

    t1.start();
    t2.start();

    t1.join();
    t2.join();

    System.out.println(I);
}

6. synchronized 优化

Java HotSpot 虚拟机中，每个对象都有对象头（包括 class 指针和 Mark Word）。Mark Word 平时存储这个对象的哈希码、分代年龄，在加锁时，根据情况将这些信息替换为标记位、线程锁记录指针、重量级锁指针、线程 ID 等内容。

6.1 轻量级锁

如果一个对象虽然有多线程访问，但多线程访问的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化。

这就好比学生（线程 A）用课本占座，上了半节课，出门了（CPU 时间到），回来一看，发现课本没变，说明没有竞争，就继续上他的课。

如果这期间有其它学生（线程 B）来了，会告知（线程 A）有并发访问，线程 A 随即升级为重量级锁，进入重量级锁的流程。

重量级锁就不是那么用课本占座那么简单了，可以想象线程 A 走之前，把座位用一个铁栅栏围起来。

假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁：

static Object obj = new Object();

public static void method1() {
    synchronized (obj) {
        // 同步块 A
        method2();
    }
}

public static void method2() {
    synchronized (obj) {
        // 同步块 B
    }
}

每个线程的栈帧都会包含一个锁记录结构，内部可以存储锁定对象的 Mark Word。

线程 1	对象 Mark Word	线程 2
访问同步块 A，把 Mark 复制到线程 1 的锁记录	01（无锁）	-
CAS 修改 Mark 为线程 1 锁记录地址	01（无锁）	-
成功（加锁）	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
执行同步块 A	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
访问同步块 B，把 Mark 复制到线程 1 的锁记录	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
CAS 修改 Mark 为线程 1 锁记录地址	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
失败（发现是自己的锁）	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
锁重入	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
执行同步块 B	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
同步块 B 执行完毕	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
同步块 A 执行完毕	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
成功（解锁）	01（无锁）	-
-	01（无锁）	访问同步块 A，把 Mark 复制到线程 2 的锁记录
-	01（无锁）	CAS 修改 Mark 为线程 2 锁记录地址
-	00（轻量锁）线程 2 锁记录地址	成功（加锁）
-	…	…

6.2 锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），CAS 操作无法成功，这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。

static Object obj = new Object();

public static void method1() {
    synchronized (obj) {
        // 同步块
    }
}

线程 1	对象 Mark Word	线程 2
访问同步块，把 Mark 复制到线程 1 的锁记录	01（无锁）	-
CAS 修改 Mark 为线程 1 锁记录地址	01（无锁）	-
成功（加锁）	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
执行同步块	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	-
执行同步块	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	访问同步块，把 Mark 复制到线程 2 的锁记录
执行同步块	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	CAS 修改 Mark 为线程 2 锁记录地址
执行同步块	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	失败（发现其他线程已经抢占了锁）
执行同步块	00（轻量锁）线程 1 锁记录地址	CAS 修改 Mark 为重量级锁
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	阻塞中
执行完毕	10（重量锁）重量锁指针	阻塞中
失败（解锁）	10（重量锁）重量锁指针	阻塞中
释放重量锁，唤起阻塞线程竞争	10（重量锁）	阻塞中
-	10（重量锁）	竞争重量锁
-	10（重量锁）	成功（加锁）
-	…	…

6.3 重量锁

重量级锁竞争的时候还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。

在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会更高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋。

• 自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 下自旋才能发挥优势。
• 好比等红灯时汽车是否熄火，没熄火相当于自旋（等待时间短更划算），熄火相当于阻塞（等待时间长更划算）
• Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

自旋重试成功的情况：

线程 1（CPU 1 上）	对象 Mark Word	线程 2（CPU 2 上）
-	10（重量锁）	-
访问同步块，获取 monitor	10（重量锁）重量锁指针	-
成功（加锁）	10（重量锁）重量锁指针	-
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	-
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	访问同步块，获取 monitor
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	自旋重试
执行完毕	10（重量锁）重量锁指针	自旋重试
成功（解锁）	10（重量锁）	自旋重试
-	10（重量锁）重量锁指针	成功（加锁）
-	10（重量锁）重量锁指针	执行同步块
-	…	…

自旋重试失败的情况：

线程 1（CPU 1 上）	对象 Mark Word	线程 2（CPU 2 上）
-	10（重量锁）	-
访问同步块，获取 monitor	10（重量锁）重量锁指针	-
成功（加锁）	10（重量锁）重量锁指针	-
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	-
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	访问同步块，获取 monitor
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	自旋重试
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	自旋重试
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	自旋重试
执行同步块	10（重量锁）重量锁指针	阻塞
-	…	…

6.4 偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。Java 6 中引入了偏向锁进行优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头时才进行 CAS 操作，之后发现这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。

• 撤销偏向需要将持锁线程升级为轻量级锁，这个过程中所有线程需要暂停（STW）
• 访问对象的 hashCode 也会撤销偏向锁
• 如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 t1 的对象仍有机会重新偏向 t2，重偏向会重置对象的 Thread ID
• 撤销偏向和重偏向都是以类为单位进行批量操作
• 如果撤销偏向达到某个阀值，整个类的所有对象都会变为不可偏向的
• 可以主动使用虚拟机参数 -XX:UseBiasedLocking 禁用偏向锁

可以参考这篇论文：Eliminating Synchronization-Related Atomic Operations with Biased Locking and Bulk Rebiasing

假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁：

static Object obj = new Object();

public static void method1() {
    synchronized (obj) {
        // 同步块 A
        method2();
    }
}

public static void method2() {
    synchronized (obj) {
        // 同步块 B
    }
}

线程 1	对象 Mark
访问同步块 A，检查 Mark 中是否有线程 ID	101（无锁可偏向）
尝试加偏向锁	101（无锁可偏向）对象 hashCode
成功	101（无锁可偏向）线程 ID
执行同步块 A	101（无锁可偏向）线程 ID
访问同步块 B，检查 Mark 中是否有线程 ID	101（无锁可偏向）线程 ID
是自己的线程 ID，锁是自己的，无需做更多操作	101（无锁可偏向）线程 ID
执行同步块 B	101（无锁可偏向）线程 ID
执行完毕	101（无锁可偏向）对象 hashCode

6.5 其他优化

减少上锁时间

同步块内的代码要尽量少

减少锁的粒度

将一个锁拆分为多个锁提高并发度，例如：

• ConcurrentHashMap
• LongAdder 分为 base 和 cells 两部分。没有并发争用的时候或者是 cells 数组正在初始化的时候，会使用 CAS 来累加值到 base，有并发争用，会初始化 cells 数组，数组里有多少个 cell，就允许有多少线程并行修改，最后将数组中每个 cell 累加，再加上 base 就是最终的值
• LinkedBlockingQueue 入队和出队使用不同的锁，相对于 LinkedBlockingArray 只有一个锁效率要高

锁粗化

多次循环进入同步块不如同步块内多次循环。

另外 JVM 可能会做如下优化，把多次 append 的加锁操作粗化为一次（因为都是对同一个对象加锁，没必要重入多次）：

new StringBuffer().append("a").append("b").append("c");

锁消除

JVM 会进行代码的逃逸分析，例如某个加锁对象是方法内局部变量，不会被其它线程所访问到，这时候就会被即时编译器忽略掉所有同步操作。

读写分离

• CopyOnWriteArrayList
• CopyOnWriteArraySet