synchronized锁优化

一、自旋锁与自适应自旋

1. 自旋锁出现的原因
   互斥同步对性能最大的影响便是阻塞的实现，挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给Java虚拟机的并发性能带来了很大的压力。同时，虚拟机的开发团队也注意到在许多应用上，共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间，为了这段时间去挂起和恢复线程并不值得。
2. 什么是自旋锁
   当一个线程已经持有锁对象，此时另一个线程来请求该锁对象，我们让后面请求锁的那个线程“稍等一会”，但不放弃CPU的执行时间（即不挂起线程），看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。为了让线程等待，我们只须让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁。
3. 自旋锁的优缺点
   自旋等待不能代替阻塞。首先自旋锁要求是在多核CPU场景下，其次虽然自旋等待避免了线程切换的开销，但它是要占用CPU时间的，如果锁被占用的时间很短，那么自旋等待的效果就会非常好，反之如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白白消耗CPU资源，这就会带来资源的浪费。因此等待的时间必须有一定的限度，如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁，就应当使用传统的方式去挂起线程。自旋次数的默认值是10次。
   好比等红灯时汽车是否熄火，不熄火相当于自旋（等待时间短划算），熄火了相当于阻塞（等待时间长划算）。
4. 自旋锁的优化——自适应自旋
   在同一个锁对象上，如果通过自旋等待刚刚成功获得过锁，那么JVM就会认为这次自旋也很有可能再次成功，进而允许自旋等待持续相对更长的时间，比如持续100次忙循环。另一方面，如果对于某个锁，自旋很少成功获得过锁，那在以后要获取这个锁时将有可能直接忽略掉自旋过程，以避免浪费CPU资源。

二、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。

三、锁粗化
原则上，同步块的作用范围是越小越好，这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变少，那么即使存在锁竞争，等待锁的线程也能尽可能快地拿到锁。但某些情况下有例外，比如：
new StringBuffer().append("a").append("b").append("c");
此时，JVM会把多次append的加锁操作粗化为一次，因为都是对同一对象加锁，没必要重入多次。

四、轻量级锁

1. 轻量级锁提升程序同步性能的依据
   依据是“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”这一经验法则。轻量级锁设计的初衷是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。
2. 轻量级锁的优缺点
   如果没有竞争，轻量级锁便通过CAS操作成功避免了使用互斥量的开销；但如果确实存在锁竞争，除了互斥量的本身开销外，还额外发生了CAS操作的开销。因此在有竞争的情况下， 轻量级锁反而会比传统的重量级锁更慢。
3. 轻量级锁的工作过程
   加锁过程：
   ● 在代码即将进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定（锁标志位为“01”），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝；
   ● 然后虚拟机将使用CAS操作尝试把锁对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。
   ○ 如果这个更新动作成功了，即代表该线程拥有了这个对象的锁，并且锁对象Mark Word的锁标志位将变为“00”，表示此对象处于轻量级锁定状态；
   ○ 如果这个更新操作失败了，那就意味着至少存在一条线程与当前线程竞争该锁对象。虚拟机首先会检查锁对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是，说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那直接进入同步块继续执行就可以了，否则就说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果出现两条以上的线程争用同一个锁的情况，那轻量级锁就不再有效，必须要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，此时Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线 程也必须进入阻塞状态。
   解锁过程：
   ● 解锁过程也同样是通过CAS操作来进行的，如果对象的Mark Word仍然指向线程的锁记录，那就用CAS操作把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来。假如能够成功替换，那整个同步过程就顺利完成了；如果替换失败，则说明有其他线程尝试过获取该锁，就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

五、偏向锁

1. 引入偏向锁的目的
   目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语，进一步提高程序的运行性能。如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉，连CAS操作都不去做了。偏向锁中“偏”的意思就是这个锁会偏向于第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁一直没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。
2. 偏向锁的工作过程
   ● 当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机将会把对象头中的标志位设置为“01”、把偏向模式设置为“1”，表示进入偏向模式。同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中。如果CAS操作成功，持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机都可以不再进行任何同步操作（例如加锁、解锁及对Mark Word的更新操作等）。
   ● 一旦出现另外一个线程去尝试获取这个锁的情况，偏向模式就马上宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态决定是否撤销偏向（偏向模式设置为“0”），撤销后标志位恢复到未锁定（标志位为“01”）或轻量级锁定（标志位为“00”）的状态，后续的同步操作就按照上面介绍的轻量级锁那样去执行。
3. 偏向锁的优缺点
   当一个对象已经计算过一致性哈希码后，它就再也无法进入偏向锁状态了；而当一个对象当前正处于偏向锁状态，又收到需要计算其一致性哈希码请求时，它的偏向状态会被立即撤销，并且锁会膨胀为重量级锁。
   偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能，但它同样是一个带有效益权衡性质的优化，也就是说它并非总是对程序运行有利。如果程序中大多数的锁都总是被多个不同的线程访问（即存在大量锁竞争的情况），那偏向模式就是多余的。