Java `Lock Coarsening` (`锁粗化`) 与 `Lock Elision` (`锁消除`) JIT 优化

各位观众，早上好啊！（如果现在是早上的话，咳咳）今天咱们来聊聊Java的“锁”事儿——不是你家门上的那把，是Java虚拟机(JVM)里的锁。更具体地说，是JVM用来“偷懒”的两种优化策略：锁粗化(Lock Coarsening)和锁消除(Lock Elision)。

先声明一下，今天的内容稍微有点底层，但是我会尽量用大白话把它们讲清楚，保证大家听完之后，能像理解“中午吃啥”一样理解这些优化。

一、锁：爱恨交织的小伙伴

在多线程编程的世界里，锁就像是一把双刃剑。一方面，它能保证线程安全，让大家井然有序地访问共享资源，避免数据混乱。另一方面，锁也会带来性能开销，让程序运行速度变慢，就像交通堵塞一样。

想象一下，你和你的小伙伴共享一个写字板（共享资源）。每次有人想在上面写字，都要先举手示意（获取锁），写完之后再放下手（释放锁），其他人才能写。如果你们频繁地举手放下，效率肯定不高。

在Java中，synchronized关键字和Lock接口是实现锁的主要方式。比如：

public class Counter {
    private int count = 0;
    private final Object lock = new Object();

    public void increment() {
        synchronized (lock) {
            count++;
        }
    }

    public int getCount() {
        synchronized (lock) {
            return count;
        }
    }
}

这段代码里，increment()和getCount()方法都用synchronized关键字保护了count变量。每次调用这些方法，都需要获取lock对象的锁，才能访问count。

二、锁粗化(Lock Coarsening)：能合就合，别客气

锁粗化就像是把“举手放下”的动作合并成一次。如果JVM发现程序中有一系列相邻的、对同一个锁进行请求和释放的操作，它就会把这些操作合并成一个更大的临界区，只进行一次锁的获取和释放。

举个例子，假设我们有这样一段代码：

public class StringAppender {
    private final StringBuilder sb = new StringBuilder();

    public String appendMultiple(String... strings) {
        for (String str : strings) {
            synchronized (sb) { // 频繁的锁获取和释放
                sb.append(str);
            }
        }
        return sb.toString();
    }
}

这段代码里，appendMultiple()方法循环地向StringBuilder对象sb追加字符串。每次追加字符串，都需要获取sb的锁。如果循环次数很多，就会造成大量的锁竞争和上下文切换，影响性能。

JVM通过锁粗化，可以将循环内的锁获取和释放操作合并成一次，像这样：

public class StringAppender {
    private final StringBuilder sb = new StringBuilder();

    public String appendMultiple(String... strings) {
        synchronized (sb) { // 锁粗化：整个循环都在同步块内
            for (String str : strings) {
                sb.append(str);
            }
        }
        return sb.toString();
    }
}

这样一来，只需要获取一次锁，就可以完成整个追加操作，大大减少了锁的开销。

适用场景：

• 循环体内频繁的锁获取和释放
• 多个相邻的同步块使用同一个锁

注意事项：

• 锁粗化可能会扩大临界区，增加锁的竞争程度，如果其他线程也需要访问共享资源，可能会导致性能下降。所以，锁粗化要适度，不能过度。
• 锁粗化是由JIT编译器自动完成的，程序员不需要手动修改代码。

三、锁消除(Lock Elision)：没用的锁，扔掉！

锁消除更狠，它直接把没用的锁给“消除”了。如果JVM发现某个锁根本没有线程安全问题，也就是说，这个锁只会被单个线程访问，那么它就会认为这个锁是多余的，直接把它忽略掉。

锁消除依赖于逃逸分析。逃逸分析是一种静态分析技术，它可以判断一个对象的引用是否会“逃逸”出当前线程。如果一个对象的引用没有逃逸出当前线程，那么就可以认为这个对象是线程安全的，不需要进行同步。

还是用StringBuilder举例：

public class StringHelper {
    public String buildString(String str1, String str2) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder(); // StringBuilder对象只在buildString方法内部使用
        sb.append(str1);
        sb.append(str2);
        return sb.toString();
    }
}

在这个例子中，StringBuilder对象sb是在buildString()方法内部创建的，它的引用没有逃逸出这个方法。也就是说，只有当前线程才能访问sb对象，不存在线程安全问题。

尽管StringBuilder的append()方法是同步的，但是由于sb对象是线程安全的，所以JVM可以把append()方法上的锁消除掉，直接执行非同步的代码。

逃逸分析：

逃逸分析是锁消除的基础。它可以判断一个对象是否会逃逸出当前线程。逃逸分析的结果有三种：

• GlobalEscape（全局逃逸）： 对象可能被多个线程访问。
• ArgumentEscape（参数逃逸）： 对象作为参数传递给其他方法，可能被其他线程访问。
• NoEscape（没有逃逸）： 对象只能被当前线程访问。

只有当对象没有逃逸时，JVM才能进行锁消除。

适用场景：

• 线程私有的对象，例如局部变量
• 没有线程安全问题的代码

注意事项：

• 锁消除也是由JIT编译器自动完成的，程序员不需要手动修改代码。
• 锁消除需要开启逃逸分析才能生效。在JVM启动参数中，可以使用-XX:+DoEscapeAnalysis开启逃逸分析。

四、代码演示：验证锁消除的效果

为了验证锁消除的效果，我们可以编写一个简单的测试程序，并使用JMH（Java Microbenchmark Harness）进行基准测试。

import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import org.openjdk.jmh.infra.Blackhole;
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

@State(Scope = Thread)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
public class LockElisionBenchmark {

    @Param({"true", "false"})
    public String escapeAnalysis;

    @Setup(Level.Trial)
    public void setup() {
        // Set escape analysis based on the parameter
        if (escapeAnalysis.equals("true")) {
            System.setProperty("jvm.options", "-XX:+DoEscapeAnalysis");
        } else {
            System.setProperty("jvm.options", "-XX:-DoEscapeAnalysis");
        }
    }

    @Benchmark
    public void testStringConcat(Blackhole bh) {
        String str = "hello";
        String result = buildString(str, "world");
        bh.consume(result);
    }

    @CompilerControl(CompilerControl.Mode.DONT_INLINE) // Prevent inlining
    private String buildString(String str1, String str2) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(str1);
        sb.append(str2);
        return sb.toString();
    }

    public static void main(String[] args) throws RunnerException {
        Options opt = new OptionsBuilder()
                .include(LockElisionBenchmark.class.getSimpleName())
                .forks(1)
                .warmupIterations(5)
                .measurementIterations(5)
                .build();

        new Runner(opt).run();
    }
}

这段代码使用了JMH进行基准测试，分别在开启和关闭逃逸分析的情况下，测试buildString()方法的性能。@CompilerControl(CompilerControl.Mode.DONT_INLINE)注解防止buildString()方法被内联，以便更好地观察锁消除的效果。

运行结果分析：

运行这个JMH基准测试，你会发现，在开启逃逸分析的情况下，buildString()方法的性能会明显提高。这是因为JVM进行了锁消除，避免了不必要的同步开销。

五、总结：让锁“消失”的艺术

锁粗化和锁消除是JVM为了提高性能而采取的两种优化策略。它们就像是程序员的“魔法棒”，可以自动地减少锁的开销，让程序运行得更快。

优化策略	描述	适用场景	注意事项
锁粗化	将多个相邻的、对同一个锁进行请求和释放的操作合并成一个更大的临界区，只进行一次锁的获取和释放。	循环体内频繁的锁获取和释放，多个相邻的同步块使用同一个锁。	可能会扩大临界区，增加锁的竞争程度，需要适度使用。
锁消除	如果JVM发现某个锁根本没有线程安全问题，也就是说，这个锁只会被单个线程访问，那么它就会认为这个锁是多余的，直接把它忽略掉。	线程私有的对象，没有线程安全问题的代码。	需要开启逃逸分析才能生效。

最后的忠告：

虽然JVM会自动进行锁粗化和锁消除，但是作为程序员，我们仍然需要编写高质量的代码，尽量避免不必要的同步，才能充分发挥这些优化的效果。

记住，好的代码就像一件艺术品，它不仅能完成任务，还能以优雅高效的方式完成任务。

今天的讲座就到这里，谢谢大家！希望大家以后写代码的时候，能想起今天的内容，让锁在你的程序里“消失”得无影无踪！