JAVA synchronized锁优化：锁粗化、锁消除与逃逸分析实战 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

JAVA Synchronized 锁优化：锁粗化、锁消除与逃逸分析实战

各位同学，大家好！今天我们来深入探讨Java中synchronized关键字的优化策略，主要聚焦于锁粗化、锁消除以及逃逸分析这三个关键技术。synchronized作为Java并发编程中最基础的锁机制，理解其优化方式对于编写高性能并发程序至关重要。

一、synchronized 关键字的开销

在使用synchronized之前，我们需要明确它带来的开销。synchronized提供了互斥性和可见性，保证了多线程环境下共享数据的安全。然而，这种安全性是以性能为代价的。synchronized的开销主要体现在以下几个方面：

上下文切换： 当一个线程尝试获取被其他线程持有的锁时，该线程会被阻塞，导致上下文切换。上下文切换涉及到保存和恢复线程的执行状态，这是一项耗时的操作。
用户态和内核态切换： 在早期的JVM版本中，synchronized依赖于操作系统提供的互斥锁（Mutex Lock），这需要用户态和内核态之间的切换，进一步增加了开销。
内存同步： synchronized保证了共享变量的可见性，这意味着线程在获取锁之前需要从主内存中读取变量，释放锁之后需要将变量写回主内存。这种内存同步操作也会带来一定的性能损耗。

因此，在并发编程中，我们需要尽量减少synchronized的使用范围，或者采用一些优化策略来降低其带来的开销。

二、逃逸分析：优化的基石

逃逸分析是JVM的一项优化技术，它可以分析对象的生命周期，判断对象是否会逃逸出线程或方法。逃逸分析的结果为锁消除和标量替换等优化提供了依据。

方法逃逸： 当一个对象在方法内部被定义，并且没有被传递到方法外部，那么该对象就属于方法逃逸。换句话说，该对象的作用域仅限于方法内部。
线程逃逸： 当一个对象被多个线程访问到，例如，将对象赋值给类的成员变量，或者在方法中将对象作为参数传递给其他线程，那么该对象就属于线程逃逸。

代码示例：

public class EscapeAnalysisExample {

    public void testMethod() {
        MyObject obj = new MyObject(); // 创建对象
        obj.setName("Test");  // 调用对象方法
        System.out.println(obj.getName());
    }

    static class MyObject {
        private String name;

        public String getName() {
            return name;
        }

        public void setName(String name) {
            this.name = name;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        EscapeAnalysisExample example = new EscapeAnalysisExample();
        example.testMethod();
    }
}

在上面的代码中，MyObject对象 obj 只在 testMethod 方法内部使用，没有被传递到方法外部，因此它属于方法逃逸。JVM可以通过逃逸分析识别出这一点，并进行相应的优化。

逃逸分析的开启和关闭：

逃逸分析默认是开启的，但可以通过JVM参数进行控制：

-XX:+DoEscapeAnalysis：开启逃逸分析（默认开启）
-XX:-DoEscapeAnalysis：关闭逃逸分析

三、锁消除：去除不必要的锁

锁消除是指JVM在运行时，如果发现某些synchronized代码块实际上不存在线程竞争，那么JVM就会移除这些锁，从而提高性能。锁消除依赖于逃逸分析的结果。如果逃逸分析发现一个对象不会逃逸出线程，那么JVM就可以认为该对象是线程私有的，对该对象加锁是没有意义的，因此可以消除这些锁。

代码示例：

public class LockEliminationExample {

    public static void main(String[] args) {
        LockEliminationExample example = new LockEliminationExample();
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            example.add(new StringBuilder(), "abc", "def");
        }
    }

    public void add(StringBuilder sb, String s1, String s2) {
        synchronized (sb) { // 锁消除的目标
            sb.append(s1);
            sb.append(s2);
        }
    }
}

在上面的代码中，StringBuilder对象 sb 只在 add 方法内部使用，没有逃逸出线程。虽然代码显式地使用了 synchronized 关键字对 sb 对象加锁，但JVM可以通过逃逸分析识别出 sb 对象是线程私有的，因此可以消除这个锁。锁消除后，add 方法的执行效率会得到提升。

锁消除的条件：

对象必须是线程私有的，即没有发生线程逃逸。
锁必须是基于对象的，而不是基于类的。

四、锁粗化：合并相邻的锁

锁粗化是指将多个相邻的synchronized代码块合并成一个更大的synchronized代码块。如果JVM发现一系列的操作都对同一个对象加锁，那么JVM会将这些操作合并成一个更大的临界区，从而减少锁的获取和释放次数，提高性能。

代码示例：

public class LockCoarseningExample {

    private Object lock = new Object();

    public void doSomething() {
        synchronized (lock) {
            // 一些操作
            System.out.println("Operation 1");
        }

        synchronized (lock) {
            // 另一些操作
            System.out.println("Operation 2");
        }

        synchronized (lock) {
            // 更多操作
            System.out.println("Operation 3");
        }
    }

    public void doSomethingOptimized() {
        synchronized (lock) {
            // 所有操作合并到一个临界区
            System.out.println("Operation 1");
            System.out.println("Operation 2");
            System.out.println("Operation 3");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        LockCoarseningExample example = new LockCoarseningExample();
        long start = System.nanoTime();
        example.doSomething();
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println("Original method execution time: " + (end - start) + " ns");

        start = System.nanoTime();
        example.doSomethingOptimized();
        end = System.nanoTime();
        System.out.println("Optimized method execution time: " + (end - start) + " ns");

    }
}

在上面的代码中，doSomething 方法中有三个相邻的synchronized代码块，都对 lock 对象加锁。JVM可以将这三个synchronized代码块合并成一个更大的临界区，如 doSomethingOptimized 方法所示。锁粗化后，锁的获取和释放次数减少，性能得到提升。

锁粗化的适用场景：

锁粗化适用于一系列的操作都对同一个对象加锁，并且这些操作之间没有其他线程的干扰。如果这些操作之间存在其他线程的干扰，那么锁粗化可能会导致临界区过大，降低并发度。

五、表格总结：三种优化策略的对比

优化策略	原理	适用场景	优点	缺点
锁消除	JVM 识别出线程私有的对象，移除不必要的锁。	对象只在单线程中使用，没有发生线程逃逸。	减少锁的获取和释放次数，提高性能。	依赖于逃逸分析，如果逃逸分析不准确，可能无法消除锁。
锁粗化	将多个相邻的 `synchronized` 代码块合并成一个更大的 `synchronized` 代码块。	一系列的操作都对同一个对象加锁，并且这些操作之间没有其他线程的干扰。	减少锁的获取和释放次数，提高性能。	可能导致临界区过大，降低并发度。
逃逸分析	分析对象的生命周期，判断对象是否会逃逸出线程或方法。	作为锁消除和标量替换的基础，没有直接的性能提升，但为其他优化提供了依据。	为锁消除和标量替换等优化提供了依据。	分析过程本身需要消耗一定的资源。

六、实战案例分析：优化银行账户转账操作

假设我们有一个银行账户类 BankAccount，其中包含一个 transfer 方法，用于进行转账操作。

public class BankAccount {

    private String accountNumber;
    private double balance;

    public BankAccount(String accountNumber, double balance) {
        this.accountNumber = accountNumber;
        this.balance = balance;
    }

    public synchronized void transfer(BankAccount targetAccount, double amount) {
        if (balance >= amount) {
            balance -= amount;
            targetAccount.deposit(amount);
            System.out.println("Transfer successful from " + accountNumber + " to " + targetAccount.getAccountNumber() + ", amount: " + amount);
        } else {
            System.out.println("Insufficient balance in account " + accountNumber);
        }
    }

    public synchronized void deposit(double amount) {
        balance += amount;
    }

    public String getAccountNumber() {
        return accountNumber;
    }

    public double getBalance() {
        return balance;
    }
}

在上面的代码中，transfer 和 deposit 方法都使用了 synchronized 关键字进行同步。在高并发环境下，大量的转账操作可能会导致严重的性能瓶颈。

优化策略：

减小锁的粒度： 可以使用更细粒度的锁，例如 ReentrantLock，并结合 tryLock 方法，尝试获取锁，如果获取失败，则执行其他操作，避免阻塞。但是这种方式需要手动控制锁的释放，容易出错。
使用原子类： 可以使用 AtomicDouble 代替 double 类型的 balance 属性，利用原子类的 CAS 操作来实现无锁并发，从而提高性能。
结合逃逸分析和锁消除： 如果在某些场景下，BankAccount 对象只在单线程中使用，没有发生线程逃逸，那么JVM可以消除 transfer 和 deposit 方法中的锁。

优化后的代码示例（使用原子类）：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicDouble;

public class BankAccountOptimized {

    private String accountNumber;
    private AtomicDouble balance;

    public BankAccountOptimized(String accountNumber, double balance) {
        this.accountNumber = accountNumber;
        this.balance = new AtomicDouble(balance);
    }

    public void transfer(BankAccountOptimized targetAccount, double amount) {
        double currentBalance = balance.get();
        if (currentBalance >= amount) {
            if (balance.compareAndSet(currentBalance, currentBalance - amount)) {
                targetAccount.deposit(amount);
                System.out.println("Transfer successful from " + accountNumber + " to " + targetAccount.getAccountNumber() + ", amount: " + amount);
            } else {
                transfer(targetAccount, amount); // 重试
            }
        } else {
            System.out.println("Insufficient balance in account " + accountNumber);
        }
    }

    public void deposit(double amount) {
        double currentBalance = balance.get();
        while (!balance.compareAndSet(currentBalance, currentBalance + amount)) {
            currentBalance = balance.get(); // 重试
        }
    }

    public String getAccountNumber() {
        return accountNumber;
    }

    public double getBalance() {
        return balance.get();
    }
}

通过使用原子类，我们可以避免使用 synchronized 关键字，从而减少锁的开销，提高并发性能。需要注意的是，使用原子类需要考虑 ABA 问题，并根据实际情况选择合适的解决方案。

七、选择合适的优化策略：没有银弹

锁优化是一个复杂的过程，没有一劳永逸的解决方案。我们需要根据具体的应用场景和性能需求，选择合适的优化策略。在选择优化策略时，需要考虑以下几个因素：

并发程度： 如果并发程度不高，那么 synchronized 关键字可能已经足够满足需求，不需要进行过多的优化。
数据竞争的激烈程度： 如果数据竞争非常激烈，那么使用原子类或者更细粒度的锁可能更合适。
代码的可维护性： 在进行优化时，需要权衡性能和可维护性，避免过度优化导致代码难以理解和维护。

八、总结：优化锁的策略与目标

总而言之，synchronized 锁的优化包括逃逸分析、锁消除和锁粗化等手段。这些优化策略旨在减少锁的开销，提高并发性能。最终目标是在保证线程安全的前提下，最大限度地提高程序的运行效率。

JAVA Synchronized 锁优化：锁粗化、锁消除与逃逸分析实战

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