JVM锁优化技术
一、自旋锁与自适应锁
如果线程获取不到锁，第一时间不是去切换系统态进行等待，而是做一个循环操作，去等到锁的释放，循环到一定的次数终止循环，调入系统调用。
为了让线程等待，而不是阻塞，让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁。
1 为什么选择自旋去消耗CPU而不直接等待？
互斥同步对性能最大的影响是阻塞的实现，挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给操作系统的并发性能带来了很大的压力。
如果锁定状态只维持很短的一段时间，为了这段时间去挂起和恢复线程并不值得。所以就仍然留在用户态
但是，自旋不能代替阻塞，因为需要占用处理器时间。
2 自旋锁适应的场景？
锁占用的时间越短，自旋等待效果越好，反之，锁被占用的时间很长，那么自旋线程只会白白消耗处理器资源。
如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁，就应当用传统方式去挂起线程，自旋次数的默认值是10次，用户可以通过-XX:PreBlockSpin更改。
3 什么是自适应自旋？
自适应自旋：自旋的时间不再固定，由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间，如果自旋很少成功获得过，那在以后获得这个锁时将可能省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源。
二、锁消除
指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争时，把锁进行消除。
1 如何判断代码是否需要进行锁消除？
主要判断依据来源于逃逸分析的数据支持，如果判断一段代码中，堆上的所有数据都不会逃逸出去从而被其他线程访问到，那就可以把它们当做栈上线程数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须进行。
2 什么是逃逸分析？
分析对象动态作用域：当一个对象在方法中被定义后，它可能被外部方法所引用，例如作为调用参数传递到其他方法中，称为方法逃逸。甚至还有可能被外部线程访问到，譬如赋值给类变量或可以在其他线程中访问的实例变量，称为线程逃逸。
3 利用逃逸分析技术，可以做些什么？
如果能证明一个对象不会逃逸到方法或线程之外，也就是别的方法或线程无法通过任何途径访问到这个对象，则可能对这个变量进行一些高效的优化。
栈上分配。如果确定一个对象不会逃逸出方法之外，那让这个对象在栈上分配内存，对象所占用的内存空间可以随帧出栈而销毁，减少垃圾收集系统的压力。（目前Hotspot没有这方面的实现，因为实现的技术比较困难）
同步消除。也就是这里所说的锁消除
标量替换。把对象拆散，将其使用的成员变量恢复原始类型来访问就叫标量替换，如果一个对象不会被外部访问，并且这个对象可以被拆散的话，那程序员真正执行的时候将可能不创建这个对象，而改为直接创建它的若干个被这个方法使用到的成员变量来代替。将对象拆分后，除了可以让对象的成员变量在栈上（栈上存储的数据，有很大的概率会被虚拟机分配至物理机器的高速寄存器中存储）分配和读写之外，还可以为后续进一步的优化手段创建条件。
逃逸分析技术在虚拟机中并不成熟，不能保证逃逸分析的性能收益必定高于其消耗，因为分析的过程比较消耗性能
三、锁粗化
如果虚拟机探测到有这样一串零碎操作都对同一个对象加锁，将会把加锁同步范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部，减少锁切换的消耗。
四、轻量级锁
1 为什么使用轻量级锁？
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 轻量级锁是通过对象头存储区域状态实现的，那对象头的内存布局是怎样的呢？
存储对象自身的运行时数据（Mark Word）（哈希码、GC分代年龄、是实现轻量级锁和偏向锁的关键）
存储指向方法区的对象类型数据指针
如果是数组对象，还会有一个额外的部分用于存储数组长度
3 轻量级锁的加锁过程？
在代码块进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定，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（官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced前缀，即Displaced Mark Word）
虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record 的指针。如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位将转变为“00”，即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，虚拟机首先会检查对象的Mark Word 是否指向当前线程的栈帧，如果只说明当前线程已经拥有了这个对象锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word 中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待的线程也要进入阻塞状态。
4 轻量级锁的解锁过程？
解锁过程也是通过CAS操作进行的，如果对象的Mark Word 任然指向着线程的锁记录，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，如果替换成功，整个同步过程就完成了。如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。
5 轻量级锁的使用场景
提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”。
如果没有竞争，轻量级锁使用CAS操作避免了使用互斥量的开销。
但如果存在锁竞争，除了互斥量的开销外，还额外发生了CAS操作，因此在有竞争的情况下，轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。
五、偏向锁
1 偏向锁的存在目的？
目的：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。
2 偏向锁与轻量级的关系？
如果说轻量级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操作都不做了。
3 偏向锁说白了是什么？
偏向锁的“偏”，就是偏心，偏袒，它的意思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，该锁没有被其他线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。
4 偏向锁工作过程是怎样的？
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为“01”，即偏向模式。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
当有另一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，撤销偏向后恢复到未锁定或轻量级锁定的状态，后续的同步操作就如上面介绍的轻量级锁那样执行
5 偏向锁的使用场景
偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能。它同样是一个带有效益权衡性质的优化，也就是说，它并不一定总是对程序运行有利，如果程序中大多数的锁总是被多个不同的线程访问，那偏向模式就是多余的。
-XX:-UseBiasedLocking 禁止偏向锁优化
1.4 锁分离
将读写锁思想进一步延伸，就是锁分离。读写锁根据读写操作功能上的不同，进行了有效的锁分离。根据应用程序的功能特点，使用类似的分离思想，也可以对独占锁进行分离。
典型案例就是 LinkedBlockingQueue 的实现，take() 和 put() 分别实现了从队列中取得数据和往队列中增加数据的功能。虽两个数据都对当前队列进行了修改操作，但由于 LinkedBlockingQueue 是基于链表的，因此两个操作分别作用于队列的前端和尾端。
如果使用独占锁，则要求在两个操作进行时获取当前队列的独占锁，那么 take() 和 put() 操作不可能真正的并发，在运行时，它们会彼此等待对方释放资源。这种情况下，锁竞争会相对比较激烈，从而影响呈现的高并发时的性能。
无锁 -> 偏向锁 -->轻量级锁 --> 重量级锁，锁只能升级，不能降级
对象头
要理解轻量级锁和偏向锁的运行机制，还要从了解对象头（Object Header）开始。对象头分为两部分：
1、Mark Word：存储对象自身的运行时数据，如：Hash Code，GC 分代年龄、锁信息。这部分数据在32位和64位的 JVM 中分别为 32bit 和 64bit。考虑空间效率，Mark Word 被设计为非固定的数据结构，以便在极小的空间内存储尽量多的信息，32bit的 Mark Word 如下图所示：
2、存储指向方法区对象类型数据的指针，如果是数组对象的话，额外会存储数组的长度
2.1 偏向锁
核心思想：当线程请求到锁对象后，将锁对象的状态标志位改为 01，即偏向模式。然后使用 CAS 操作将线程的 ID 记录在锁对象的 Mark Word 中。以后该线程可以直接进入同步块，连CAS操作都不需要。但是，一旦有第二条线程需要竞争锁，那么偏向模式立即结束，进入轻量级锁的状态。
与轻量级锁的区别：轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作来代替互斥量的使用，从而实现同步；而偏向锁是在无竞争的情况下完全取消同步。
作用：偏向锁是为了消除无竞争情况下的同步原语，进一步提升程序性能。
优点：偏向锁可以提高有同步但没有竞争的程序性能。但是如果锁对象时常被多条线程竞争，那偏向锁就是多余的。
2.2 轻量级锁
如果偏向锁失败，JVM 并不会立即挂起线程。他还会使用一种称为轻量级锁的优化手段。
核心思想：轻量级锁将对象头部作为指针，指向持有锁的线程堆栈的内部，来判断一个线程是否持有对象锁。如果线程获得轻量级锁成功，则可以顺利进入临界区，如果获取轻量级锁失败，则表示其它线程先抢到了锁，那么线程的锁请求就会膨胀为重量级锁。
前提：轻量级锁比重量级锁性能更高的前提是，在轻量级锁被占用的整个同步周期内，不存在其他线程的竞争。若在该过程中一旦有其他线程竞争，那么就会膨胀成重量级锁，从而除了使用互斥量以外，还额外发生了CAS操作，因此更慢！
轻量级锁与重量级锁的比较：
重量级锁是一种悲观锁，它认为总是有多条线程要竞争锁，所以它每次处理共享数据时，不管当前系统中是否真的有线程在竞争锁，它都会使用互斥同步来保证线程的安全；
而轻量级锁是一种乐观锁，它认为锁存在竞争的概率比较小，所以它不使用互斥同步，而是使用CAS操作来获得锁，这样能减少互斥同步所使用的『互斥量』带来的性能开销。
2.3 自旋锁
锁膨胀后，JVM 为避免线程真正在操作系统层面挂起，JVM 做了最后的努力 — 自旋锁。由于当前线程无法获取锁，但什么时候获取锁是一个未知数。
因此，系统会进行一次赌注：它会假设在不久的将来，线程可以得到这把锁，JVM 让当前线程做几个空循环（这是自旋的含义）。在经过若干次循环后，如果可以得到锁，那么久顺利进入临界区。如果还不能获得锁，才会真正将线程在系统层面挂起。
优点：由于自旋等待锁的过程线程并不会引起上下文切换，因此比较高效；
缺点：自旋等待过程线程一直占用 CPU 执行权但不处理任何任务，因此若该过程过长，那就会造成 CPU 资源的浪费。
自适应自旋：自适应自旋可以根据以往自旋等待时间的经验，计算出一个较为合理的本次自旋等待时间。
2.4 锁消除
锁消除是一种更彻底的锁优化，JVM 在 JIT 编译时，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在的共享资源竞争的锁，通过锁消除，可以节省毫无意义的请求锁的时间。
读者可能产生疑问，如果不可能产生竞争，为什么还要加锁？
在 Java 开发中，我们必然会使用 JDK 内置的 API，如 StringBuffer、Vector 等。你在使用这些类时，也许根本不会考虑这些对象到底内部是如何实现的。但是 Vector 内部使用了 synchronized 请求锁。
