面試加分項(xiàng):JVM 鎖優(yōu)化和逃逸分析詳解!

你知道的越多，不知道的就越多，業(yè)余的像一棵小草！

你來(lái)，我們一起精進(jìn)！你不來(lái)，我和你的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手一起精進(jìn)！

編輯：業(yè)余草

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鎖優(yōu)化

jvm 在加鎖的過(guò)程中，會(huì)采用自旋、自適應(yīng)、鎖消除、鎖粗化等優(yōu)化手段來(lái)提升代碼執(zhí)行效率。

自旋鎖和自適應(yīng)自旋

現(xiàn)在大多的處理器都是多核處理器 ，如果在多核心處理器，有讓兩個(gè)或者以上的線程并行執(zhí)行，我們可以讓一個(gè)等待線程不放棄處理器的執(zhí)行時(shí)間。設(shè)置一個(gè)等待超時(shí)時(shí)間，看線程是否能夠很快的釋放鎖，在等等待的這段時(shí)間可以執(zhí)行一個(gè)空循環(huán)，讓當(dāng)前線程繼續(xù)占用 CPU 的時(shí)間片。這就是所謂的「自旋鎖」。

JVM 中可以通過(guò) +XX:UseSpinning來(lái)開(kāi)啟自旋鎖，在 JDK1.6 過(guò)后默認(rèn)為我們開(kāi)啟。由于自旋鎖的使用會(huì)讓鎖的競(jìng)爭(zhēng)者占用更多的處理器時(shí)間， JVM 規(guī)定了一個(gè)自旋次數(shù)的一個(gè)參數(shù)。我們可以通過(guò) -XX:PreBlockSping來(lái)進(jìn)行更改（默認(rèn)10次）。

偏向鎖、輕量級(jí)鎖的狀態(tài)轉(zhuǎn)化及對(duì)象 Mark Word 的關(guān)系轉(zhuǎn)換入下圖所示：

鎖消除

鎖消除是指虛擬機(jī)即時(shí)編譯器在運(yùn)行時(shí)檢測(cè)到某段需要同步的代碼不可能存在共享數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)而實(shí)施的一種對(duì)鎖進(jìn)行消除的優(yōu)化策略。鎖消除的主要判斷依據(jù)于逃逸分析。如果判斷一段代碼，在堆上所有的數(shù)據(jù)都不會(huì)逃逸出去被別的線程訪問(wèn)到，那就把它當(dāng)作棧上的數(shù)據(jù)對(duì)待，認(rèn)為它們是私有的，同步加鎖就無(wú)需進(jìn)行。

下面是三個(gè)字符串 x, y, z 相加的例子，無(wú)論是從源代碼上還是邏輯上都沒(méi)有進(jìn)行同步

public?String?concatStr(String?x,?String?y,?String?z)?{
????return??x?+?y?+?z;
}

String 是一個(gè)不可變的類，對(duì)字符的鏈接總是生成新的 String 對(duì)象來(lái)進(jìn)行的，因此 Javac 編譯器會(huì)對(duì) String 鏈接進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，在 jdk5 之前字符串鏈接會(huì)轉(zhuǎn)換為 StringBuffer；在 jdk5 之后會(huì)轉(zhuǎn)換為 StringBuilder 對(duì)象連續(xù)的 append()操作，我們看看 javac 過(guò)后，反編譯的結(jié)果:

public?String?concatStr(String?x,?String?y,?String?z)?{
????StringBuilder?sb?=?new?StringBuilder();
????sb.append(x);
????sb.append(y);
????sb.append(z);
????return??sb.toString();
}

我們?cè)賮?lái)看看 javap反編譯的結(jié)果：

這里大家可能會(huì)擔(dān)心 StringBuilder不是線程安全的的操作會(huì)存在線程安全的問(wèn)題嗎？這里的答案是不會(huì)，x + y + z操作的優(yōu)化「經(jīng)過(guò)逃逸分析」過(guò)后，他的動(dòng)態(tài)作用域被限制在了 concatStr方法內(nèi)，就是說(shuō)當(dāng)前實(shí)際執(zhí)行的 StringBuilder 的操作在 concatStr 方法內(nèi)部，「其他的外部線程無(wú)法訪問(wèn)」到，所以這里「雖然有鎖，但是可以被安全的消除掉。所以當(dāng)我們進(jìn)行編譯過(guò)后，這段代碼就會(huì)忽略掉所有的同步措施直接執(zhí)行?！?/strong>

鎖粗化

原則上，我們?cè)趯懘a的時(shí)候，總是推薦將同步塊的作用范圍限制得盡可能的小--只在共享數(shù)據(jù)的實(shí)際操作作用域中才進(jìn)行同步，這樣也是為了使得需要同步的操作盡可能的變少，即使存在鎖的競(jìng)爭(zhēng)，等待的鎖的線程也能很快的獲取到鎖。大多數(shù)情況下，上面的原則都是正確的，但是如果「一系列的連續(xù)操作都是對(duì)同一個(gè)對(duì)象反復(fù)加鎖和解鎖，甚至加鎖操作時(shí)出現(xiàn)在循環(huán)體之中」的，那即使沒(méi)有線程的競(jìng)爭(zhēng)，頻繁的進(jìn)行相互操作也會(huì)導(dǎo)致不必需要的性能損耗

StringBuffer?buffer?=?new?StringBuffer();
/**??鎖粗化?*/?
public?void?append(){?
?buffer.append("aaa").append("?bbb").append("?ccc");?
}

上面的代碼每次調(diào)用 buffer.append 方法都需要加鎖和解鎖，如果 JVM 家冊(cè)到有一串連續(xù)的對(duì)同一個(gè)對(duì)象加鎖和解鎖的操作，就會(huì)將其合并成一次范圍更大的加鎖解鎖操作，即在第一個(gè) append 方法執(zhí)行的時(shí)候進(jìn)行加鎖，最后一個(gè) append 方法結(jié)束后進(jìn)行解鎖。

逃逸分析

逃逸分析（Escape Analysis），是一種可能減少有效 Java 程序中同步負(fù)載和內(nèi)存堆分配壓力的跨全局函數(shù)數(shù)據(jù)流分析算法。通過(guò)逃逸分析， Java Hotspot 編譯器能夠分析出一個(gè)新的對(duì)象引用范圍從而決定是否要將這個(gè)對(duì)象分配到堆上，「逃逸分析的基本行為就是分析對(duì)象的動(dòng)態(tài)作用域?！?/strong>

方法逃逸

當(dāng)一個(gè)對(duì)象在方法里面被定義后，它可能被外部方法所引用，例如調(diào)用參數(shù)傳遞到其他方法中，這種稱為方法逃逸。

線程逃逸

當(dāng)一個(gè)對(duì)象可能被外部線程訪問(wèn)到，比如：賦值給其他線程中訪問(wèn)的實(shí)例變量，這種稱為線程逃逸。

通過(guò)逃逸分析，編譯器對(duì)代碼的優(yōu)化

如果能夠證明一個(gè)對(duì)象不會(huì)逃逸到到方法外或線程外（其他線程方法或者線程無(wú)法通過(guò)任何方法訪問(wèn)該變量），或者逃逸程度比較低（只逃逸出方法而不逃逸出線程）則可以對(duì)這個(gè)對(duì)象采用不同程度的優(yōu)化：

1、棧上分配（Stack Allocations）完全不會(huì)逃逸的局部變量和不會(huì)逃逸出線程的對(duì)象，采用棧上分配，對(duì)象就會(huì)跟隨方法的結(jié)束自動(dòng)銷毀。以減少垃圾回收器的壓力。

2、標(biāo)量替換（Scalar Replacement）有個(gè)對(duì)象可能不需要作為一個(gè)連續(xù)的存儲(chǔ)結(jié)果存儲(chǔ)也能被訪問(wèn)到，那么對(duì)象的部分（或者全部）可以不存儲(chǔ)在內(nèi)存，而是存儲(chǔ)在 CPU 寄存器中。

3、同步消除（Synchronization Elimination）如果一個(gè)對(duì)象發(fā)現(xiàn)只能在一個(gè)線程訪問(wèn)到，那么這個(gè)對(duì)象的操作可以考慮不同步。

參考資料

• https://docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/concurrency/locksync.html