synchronized 锁的性能优化：自适应自旋、锁消除、锁粗化与偏向锁

在并发编程中，锁的机制至关重要。synchronized 作为 Java 中最基础的同步工具，长期以来被广泛使用。然而，synchronized 的性能问题也一直存在，尤其是在多线程高并发的场景下，频繁的加锁和解锁操作会带来不小的开销。为了解决这一问题，JDK 1.6 引入了多种优化技术，以提高 synchronized 锁的性能，降低系统开销。

本文将详细介绍 JDK 1.6 中对 synchronized 锁的优化，包括 自适应自旋锁、锁消除、锁粗化 以及 偏向锁、轻量级锁、重量级锁，帮助你理解这些技术背后的原理，并在实际开发中充分利用它们。

1. 自适应自旋锁：减少不必要的等待

自旋锁的概念

自旋锁是指线程在获取锁失败时，不进入阻塞状态，而是不断循环尝试获取锁。自旋的缺点在于如果自旋时间过长，可能会浪费大量 CPU 时间，导致性能下降。

自适应自旋锁优化

在 JDK 1.6 中，自适应自旋锁被引入来解决自旋时间过长的问题。自适应自旋锁会根据系统的负载、锁的竞争情况等多种因素动态调整自旋的次数和时间，避免了传统自旋锁的资源浪费。

如果线程获得锁的成功率高，那么自旋时间短，能够尽快获得锁。
如果线程获得锁的成功率低，自旋时间则较长，避免了长时间自旋带来的性能损耗。

通过自适应的自旋策略，JDK 1.6 使得自旋锁变得更聪明、更高效。

2. 锁消除：消除不必要的锁

锁消除的概念

锁消除是指在某些情况下，JVM 会分析并移除不必要的同步操作。例如，当 JVM 发现某些对象永远不会被多线程同时访问时，就可以消除对这些对象的锁，从而提高性能。

应用示例

例如，StringBuffer 类的 append 方法可能被 synchronized 修饰，但在某些情况下，StringBuffer 的对象仅在一个线程中使用。在这种情况下，JVM 可以消除无意义的 synchronized 锁，避免不必要的性能开销。

@Override
public synchronized StringBuffer append(Object obj) {
    toStringCache = null;
    super.append(String.valueOf(obj));
    return this;
}

通过 逃逸分析，如果 JVM 确定 StringBuffer 对象仅会在单线程中使用，它可以消除 synchronized 锁，因为单线程中的操作自然是线程安全的。

3. 锁粗化：减少无谓的加锁解锁

锁粗化的概念

锁粗化是指将多次加锁解锁的操作合并为一次大的加锁解锁操作。例如，如果一个对象在多个地方多次加锁，我们可以将这些锁合并为一个大范围的同步块，从而减少锁的申请与释放次数，提升性能。

应用示例

假设我们有如下代码：

public void lockCoarsening() {
    synchronized (this) {
        // do something
    }
    synchronized (this) {
        // do something else
    }
    synchronized (this) {
        // do another thing
    }
}

这段代码中，synchronized 被多次调用，但实际上每次加锁解锁的内容都非常短。如果将它们合并成一个大的同步块：

public void lockCoarsening() {
    synchronized (this) {
        // do something
        // do something else
        // do another thing
    }
}

通过锁粗化，减少了锁的申请和释放次数，显著提升了性能。锁粗化在没有竞争的情况下尤其有效，但在循环中不适用，因为可能导致线程长时间无法获得锁。

4. 偏向锁、轻量级锁、重量级锁：锁的多级演进

在 JDK 1.6 中，synchronized 锁的实现被优化为偏向锁、轻量级锁和重量级锁，这三种锁分别适用于不同的竞争情况。

4.1 偏向锁

偏向锁的思想是，如果某个锁长期没有竞争，那么该锁就不需要加锁，只需要打一个标记即可。当第一个线程获得锁时，锁会记录下该线程的信息，并允许后续的线程直接获取锁（如果是同一个线程）。

性能最优：避免了加锁操作，极大地减少了同步开销。
适用场景：适合没有线程竞争的情况。

4.2 轻量级锁

当有多个线程竞争一个偏向锁时，偏向锁会升级为轻量级锁。轻量级锁使用 CAS（比较和交换）操作来尝试获取锁，避免线程阻塞。

性能较好：通过自旋和 CAS 操作避免了线程阻塞。
适用场景：适合竞争较少、锁持有时间较短的场景。

4.3 重量级锁

当锁的竞争较为激烈，并且自旋和 CAS 无法有效解决时，轻量级锁会升级为重量级锁。重量级锁依赖操作系统的同步机制，涉及线程的阻塞和唤醒，因此开销较大。

性能最差：涉及线程阻塞和上下文切换，性能开销较大。
适用场景：适合长时间锁竞争的情况。

锁的升级路径

无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁

5. 小结

JDK 1.6 在 synchronized 锁的基础上引入了多项优化，包括自适应自旋锁、锁消除、锁粗化和偏向锁、轻量级锁、重量级锁等。这些优化显著提高了并发程序的性能，特别是在多线程高并发的环境下。具体来说：

自适应自旋锁：根据实际竞争情况动态调整自旋时间，避免不必要的性能开销。
锁消除：通过逃逸分析消除不必要的锁，提高效率。
锁粗化：减少无意义的锁申请和释放，提升执行效率。
偏向锁、轻量级锁、重量级锁：通过不同的锁状态来适应不同的线程竞争情况，提高整体性能。

了解这些优化技术并合理运用，可以帮助开发者编写更加高效的并发程序，充分发挥 Java 并发性能的潜力。