JAVA JUC锁升级过程中Biased Lock撤销的性能损耗分析

大家好，今天我们来深入探讨Java并发编程中一个非常重要的概念：锁升级，特别是Biased Locking (偏向锁) 及其撤销所带来的性能损耗。偏向锁的设计初衷是为了优化单线程环境下锁的性能，但在多线程竞争场景下，频繁的偏向锁撤销反而会造成显著的性能下降。我们将从偏向锁的原理、锁升级过程、撤销机制以及性能损耗分析等方面进行详细讲解，并提供相应的代码示例。

1. 偏向锁 (Biased Locking) 的原理

在Java HotSpot虚拟机中，为了尽可能减少锁竞争带来的开销，引入了偏向锁的概念。偏向锁的核心思想是：如果一个锁总是被同一个线程持有，那么就可以消除这个线程获取锁的开销。当一个线程第一次获得锁时，会在对象头（Mark Word）中记录下该线程的ID，以后该线程再次进入同步块时，不需要进行任何CAS操作，直接检查对象头中的线程ID是否与当前线程ID一致，如果一致，则认为该线程已经获得了锁。

偏向锁的优势在于，在没有其他线程竞争的情况下，可以避免CAS操作带来的性能开销。这对于单线程频繁访问同步块的场景非常有效。

2. 锁升级过程

Java中的锁升级过程是一个动态调整的过程，目的是根据实际的线程竞争情况选择最合适的锁级别。锁的升级顺序通常为：

无锁 (Unlocked): 对象初始状态，没有任何线程持有锁。
偏向锁 (Biased Lock): 当第一个线程访问同步块时，会将对象头中的线程ID设置为该线程ID，进入偏向模式。
轻量级锁 (Lightweight Lock): 当有第二个线程尝试获取偏向锁时，偏向锁升级为轻量级锁。
重量级锁 (Heavyweight Lock): 当多个线程竞争轻量级锁时，轻量级锁升级为重量级锁。

这个升级过程是不可逆的，也就是说，锁只能从低级别向高级别升级，不能降级。

3. 偏向锁的撤销 (Biased Locking Revocation)

偏向锁的撤销是偏向锁机制中一个非常重要的环节。当一个线程持有偏向锁，而另一个线程尝试获取该锁时，就会触发偏向锁的撤销。撤销的过程涉及到以下几个步骤：

暂停持有偏向锁的线程 (Safepoint): 虚拟机需要暂停持有偏向锁的线程，确保线程状态的一致性。
检查对象头: 检查对象头是否处于偏向模式，以及对象头中记录的线程ID是否与当前线程ID一致。
撤销偏向锁: 如果对象头处于偏向模式，并且对象头中的线程ID与当前线程ID不一致，则撤销偏向锁。撤销的方式是将对象头恢复到未锁定状态或升级为轻量级锁。
唤醒等待线程: 唤醒等待获取锁的线程，使其能够参与锁竞争。

偏向锁的撤销是一个相对耗时的过程，因为它涉及到线程的暂停、对象头的修改以及线程的唤醒。

4. 偏向锁撤销的触发条件

偏向锁的撤销主要由以下几种情况触发：

竞争: 当另一个线程尝试获取已经被偏向锁锁定的对象时，会触发偏向锁的撤销。
调用对象的 hashCode() 方法: 如果一个对象已经处于偏向锁状态，并且该对象被调用了hashCode()方法，那么偏向锁会被撤销，因为hashCode()方法可能会被其他线程使用，从而导致竞争。
进入 synchronized 代码块之前: 某些情况下，即使没有其他线程竞争，虚拟机也可能会主动撤销偏向锁。例如，当一个线程在进入synchronized代码块之前，发现对象头中的线程ID与当前线程ID不一致时，可能会撤销偏向锁。
GC扫描: 在垃圾回收过程中，如果GC扫描到某个对象处于偏向锁状态，并且持有该偏向锁的线程已经不再存活，那么偏向锁会被撤销。

5. 偏向锁撤销的性能损耗分析

偏向锁的撤销会带来一定的性能损耗，主要体现在以下几个方面：

线程暂停 (Safepoint): 撤销偏向锁需要暂停持有偏向锁的线程，这会导致线程的上下文切换，从而增加CPU的开销。
对象头修改: 撤销偏向锁需要修改对象头，这涉及到CAS操作，如果CAS操作失败，需要进行重试，从而增加CPU的开销。
线程唤醒: 撤销偏向锁后，需要唤醒等待获取锁的线程，这也会增加CPU的开销。

在多线程竞争激烈的场景下，频繁的偏向锁撤销会导致大量的CPU资源被消耗在线程的暂停、对象头的修改以及线程的唤醒上，从而降低程序的整体性能。

6. 代码示例与性能测试

为了更直观地了解偏向锁撤销带来的性能损耗，我们可以通过代码示例和性能测试来进行分析。

public class BiasedLockTest {

    private static final int LOOP_COUNT = 10000000;
    private static Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 预热，使JIT进行优化
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            synchronized (lock) {
                // Do nothing
            }
        }

        // 禁用偏向锁的情况
        long start1 = System.nanoTime();
        testWithoutBiasedLocking();
        long end1 = System.nanoTime();
        System.out.println("Without Biased Locking: " + (end1 - start1) / 1000000 + " ms");

        // 启用偏向锁的情况
        long start2 = System.nanoTime();
        testWithBiasedLocking();
        long end2 = System.nanoTime();
        System.out.println("With Biased Locking: " + (end2 - start2) / 1000000 + " ms");
    }

    //测试关闭偏向锁
    public static void testWithoutBiasedLocking() throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < LOOP_COUNT; i++) {
                synchronized (lock) {
                    // Do nothing
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < LOOP_COUNT; i++) {
                synchronized (lock) {
                    // Do nothing
                }
            }
        });

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

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

    //测试开启偏向锁
    public static void testWithBiasedLocking() throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < LOOP_COUNT; i++) {
                synchronized (lock) {
                    // Do nothing
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < LOOP_COUNT; i++) {
                synchronized (lock) {
                    // Do nothing
                }
            }
        });

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

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

运行该代码前，需要通过JVM参数分别禁用和启用偏向锁:

禁用偏向锁: -XX:-UseBiasedLocking
启用偏向锁: -XX:+UseBiasedLocking (默认启用)

性能测试结果分析

通过运行上述代码，我们可以得到在禁用和启用偏向锁的情况下，程序的运行时间。一般来说，在多线程竞争激烈的场景下，禁用偏向锁可能会获得更好的性能，因为可以避免频繁的偏向锁撤销。

更详细的对比测试：

为了更细致地比较偏向锁对性能的影响，我们可以通过增加线程数，调整循环次数，以及在synchronized块中执行更复杂的操作等方式来进行测试。以下是一个更详细的测试方法，包含了不同线程数量的对比：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class BiasedLockTestDetailed {

    private static final int LOOP_COUNT = 1000000;
    private static Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int[] threadCounts = {1, 2, 4, 8, 16}; // 不同线程数的测试

        System.out.println("Testing without Biased Locking (-XX:-UseBiasedLocking):");
        testWithDifferentThreadCounts(threadCounts, false);

        System.out.println("nTesting with Biased Locking (+XX:+UseBiasedLocking):");
        testWithDifferentThreadCounts(threadCounts, true);
    }

    public static void testWithDifferentThreadCounts(int[] threadCounts, boolean useBiasedLocking) throws InterruptedException {
        for (int threadCount : threadCounts) {
            long startTime = System.nanoTime();
            runTest(threadCount, useBiasedLocking);
            long endTime = System.nanoTime();
            System.out.println("Threads: " + threadCount + ", Time: " + (endTime - startTime) / 1000000 + " ms");
        }
    }

    public static void runTest(int threadCount, boolean useBiasedLocking) throws InterruptedException {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(threadCount);

        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            executor.execute(() -> {
                for (int j = 0; j < LOOP_COUNT; j++) {
                    synchronized (lock) {
                        // 模拟一些工作
                        double result = Math.sin(j * 0.01);
                    }
                }
            });
        }

        executor.shutdown();
        executor.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
    }
}

运行此代码时，同样需要分别加上和不加 -XX:-UseBiasedLocking 参数来测试。

通过这个更详细的测试，你可以观察到，随着线程数量的增加，启用偏向锁的情况下，性能下降会更加明显。

7. 如何优化偏向锁带来的性能损耗

针对偏向锁撤销带来的性能损耗，我们可以采取以下一些优化措施：

禁用偏向锁: 如果确定程序中存在大量的锁竞争，可以考虑禁用偏向锁，使用轻量级锁或重量级锁。可以通过JVM参数-XX:-UseBiasedLocking来禁用偏向锁。
减少锁竞争: 尽量减少锁的竞争，例如，可以通过使用更细粒度的锁，或者使用无锁数据结构等方式来避免锁的竞争。
调整偏向延迟: 可以通过JVM参数-XX:BiasedLockingStartupDelay来调整偏向锁的启动延迟。默认情况下，偏向锁会在虚拟机启动后延迟一段时间才启用，以避免在程序初始化阶段出现大量的锁竞争。
使用ThreadLocal: 如果某个对象只被单个线程使用，可以使用ThreadLocal来避免锁的竞争。

8. 不同场景下的锁选择

在不同的并发场景下，选择合适的锁策略对于程序的性能至关重要。以下是一些常见的场景和对应的锁选择建议：

场景	锁选择	理由
单线程环境或极少竞争	偏向锁 (默认启用)	避免CAS操作，性能最高。
轻度竞争，大部分时间只有一个线程持有锁	轻量级锁	减少重量级锁的开销，通过自旋等待来避免线程阻塞。
重度竞争，多个线程频繁争夺锁	重量级锁	确保线程安全，但开销较大，需要进行线程的阻塞和唤醒。
读多写少	读写锁 (ReadWriteLock)	允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。
使用场景未知	动态调整锁级别 (默认)	让虚拟机根据实际的线程竞争情况选择最合适的锁级别。
对性能要求极高，且竞争不激烈	无锁数据结构 (例如 ConcurrentHashMap, AtomicInteger)	利用CAS操作保证线程安全，避免锁的开销。

通过以上的分析，我们可以了解到偏向锁在特定场景下可以提高程序的性能，但在多线程竞争激烈的场景下，频繁的偏向锁撤销反而会带来显著的性能损耗。因此，在实际的并发编程中，我们需要根据具体的应用场景选择合适的锁策略，并采取相应的优化措施，以提高程序的整体性能。

总结：理解锁升级，根据场景选择锁策略

Java锁升级过程中的偏向锁撤销是性能损耗的重要来源。理解偏向锁的原理和撤销机制，可以帮助我们更好地选择合适的锁策略。在高并发场景下，应谨慎使用偏向锁，并考虑使用无锁数据结构或更细粒度的锁来减少竞争。

JAVA JUC锁升级过程中Biased Lock撤销的性能损耗分析

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