Java 中的 synchronized 是一种常用的线程同步机制，它通过内置的锁（监视器锁，Monitor Lock）来保护代码块或方法的并发安全。从 JDK 1.6 开始，synchronized 进行了许多优化，其中一个重要的机制是自适应锁（Adaptive Spinning）。
1. 什么是自适应锁？
自适应锁是一种优化锁竞争和线程上下文切换性能的技术。传统情况下，线程在竞争锁失败时，会直接进入操作系统的阻塞状态。然而，这种阻塞和唤醒涉及系统调用，开销较大。自适应锁通过自旋锁的改进来减少这种开销。
- 自旋锁：线程在竞争锁失败时，不立即进入阻塞状态，而是执行一段空循环（自旋）。如果锁在短时间内被释放，线程可以立即获得锁。
- 自适应自旋锁：改进的自旋锁，自旋时间是动态调整的，基于：
- 锁的状态（是否频繁被持有或释放）。
- 线程的历史表现（上一次自旋是否成功）。
如果一个线程在之前自旋中成功获得了锁，JVM 会认为锁的竞争较少，在下一次尝试时可能增加自旋时间；反之，如果多次自旋失败，JVM 会减少自旋或直接放弃自旋，进入阻塞。
2. 自适应锁的实现原理
自适应锁的过程
- 初始状态：
- 当线程尝试获取锁时，检查锁是否被持有。
- 如果锁空闲，直接获得锁。
- 如果锁被持有，进入自适应自旋阶段。
- 自旋逻辑：
- 基于锁的状态和线程历史决定自旋的次数：
- 锁被短时间持有：线程自旋一段时间等待锁释放。
- 锁竞争激烈：线程直接放弃自旋，进入阻塞。
- 基于锁的状态和线程历史决定自旋的次数：
- 锁释放：
- 持有锁的线程释放锁后，自旋线程可能立即获得锁。
- 如果没有等待的线程，锁进入空闲状态。
自适应自旋的条件
- JVM 会根据 CPU 核心数启用自适应自旋机制（多核 CPU 上效果更好）。
- 自适应自旋的时间由 JVM 动态调整，无需开发者干预。
- 自适应锁是一种轻量级锁，不涉及内核调用（减少上下文切换）。
3. synchronized 的锁优化演进
Synchronized 的优化涉及多种锁状态的转换和自适应策略，主要有以下几种锁状态：
- 无锁（No Lock）：
- 当代码没有竞争时，直接执行，无需加锁。
- 偏向锁（Biased Locking）：
- 锁偏向第一个获取它的线程，减少 CAS 操作的开销。
- 偏向锁在没有其他线程竞争时非常高效。
- 轻量级锁（Lightweight Lock）：
- 当多个线程尝试竞争锁时，使用 CAS 操作加锁。
- 如果竞争不激烈，轻量级锁性能优于重量级锁。
- 重量级锁（Heavyweight Lock）：
- 多线程竞争严重时，升级为重量级锁，线程进入阻塞状态。
- 依赖操作系统的 Mutex 机制，开销较高。
4. 自适应锁的优点
- 减少上下文切换： 自旋避免了线程频繁进入阻塞和唤醒状态，特别适合锁持有时间短的场景。
- 动态调整： 自适应锁通过动态调整自旋时间，平衡了自旋时间和阻塞等待之间的性能。
- 适用性强： 自适应锁特别适合 CPU 密集型任务，能够充分利用 CPU。
5. 自适应锁的局限性
- 锁持有时间长： 如果锁长时间被持有，自旋会浪费 CPU 资源。
- 线程竞争激烈： 多线程竞争时，频繁自旋可能导致 CPU 占用过高。
- 依赖 JVM 实现： 自适应锁是 JVM 的实现细节，开发者无法直接干预。
6. 自适应锁的调优
尽管 synchronized 的自适应锁机制已非常高效，但在实际开发中，可以通过以下方式进一步优化：
- 减少锁的粒度：
- 将锁的范围尽量缩小，避免大范围的同步代码块。
- 使用更高效的锁机制：
- 对于高并发场景，可以考虑使用
ReentrantLock或其他java.util.concurrent包中的锁。
- 对于高并发场景，可以考虑使用
- 避免长时间持有锁：
- 尽量减少锁中包含的耗时操作，如 I/O 或网络调用。
7. 示例代码分析
以下代码展示了锁的不同竞争情况：
public class SynchronizedTest {
private static int count = 0;
public synchronized static void increment() {
count++;
}
public static void main(String[] args) {
Runnable task = () -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
increment();
}
};
Thread t1 = new Thread(task);
Thread t2 = new Thread(task);
t1.start();
t2.start();
try {
t1.join();
t2.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Final count: " + count);
}
}
运行时观察：
- 如果线程竞争不激烈（单线程或短时间内竞争），JVM 会利用偏向锁或轻量级锁提升性能。
- 如果线程竞争激烈，JVM 会升级为重量级锁，并可能利用自适应自旋优化性能。
总结
自适应锁是 Java 并发性能优化的重要一环，通过动态调整自旋时间，减少线程上下文切换的开销。虽然开发者无法直接控制自适应锁的行为，但可以通过优化锁的使用方式和代码结构，间接提升性能。
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