Java锁消除和锁粗化

锁粗化

通常情况下，为了保证多线程间的有效并发，会要求每个线程持有锁的时间尽可能短，但是大某些情况下，一个程序对同一个锁不间断、高频地请求、同步与释放，会消耗掉一定的系统资源，因为锁的讲求、同步与释放本身会带来性能损耗，这样高频的锁请求就反而不利于系统性能的优化了，虽然单次同步操作的时间可能很短。锁粗化就是告诉我们任何事情都有个度，有些情况下我们反而希望把很多次锁的请求合并成一个请求，以降低短时间内大量锁请求、同步、释放带来的性能损耗。

一种极端的情况如下：

public void doSomethingMethod(){
    synchronized(lock){
        //do some thing
    }
    //这是还有一些代码，做其它不需要同步的工作，但能很快执行完毕
    synchronized(lock){
        //do other thing
    }
}

上面的代码是有两块需要同步操作的，但在这两块需要同步操作的代码之间，需要做一些其它的工作，而这些工作只会花费很少的时间，那么我们就可以把这些工作代码放入锁内，将两个同步代码块合并成一个，以降低多次锁请求、同步、释放带来的系统性能消耗，合并后的代码如下:

public void doSomethingMethod(){
    //进行锁粗化：整合成一次锁请求、同步、释放
    synchronized(lock){
        //do some thing
        //做其它不需要同步但能很快执行完的工作
        //do other thing
    }
}

注意：这样做是有前提的，就是中间不需要同步的代码能够很快速地完成，如果不需要同步的代码需要花很长时间，就会导致同步块的执行需要花费很长的时间，这样做也就不合理了。

另一种需要锁粗化的极端的情况是：

for(int i=0;i<size;i++){
    synchronized(lock){
    }
}

上面代码每次循环都会进行锁的请求、同步与释放，看起来貌似没什么问题，且在jdk内部会对这类代码锁的请求做一些优化，但是还不如把加锁代码写在循环体的外面，这样一次锁的请求就可以达到我们的要求，除非有特殊的需要：循环需要花很长时间，但其它线程等不起，要给它们执行的机会。

锁粗化后的代码如下：

synchronized(lock){
    for(int i=0;i<size;i++){
    }
}

锁消除

锁消除是发生在编译器级别的一种锁优化方式。
有时候我们写的代码完全不需要加锁，却执行了加锁操作。

比如，StringBuffer类的append操作：

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

从源码中可以看出，append方法用了synchronized关键词，它是线程安全的。但我们可能仅在线程内部把StringBuffer当作局部变量使用：

package com.leeib.thread;
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        int size = 10000;
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            createStringBuffer("Hyes", "为分享技术而生");
        }
        long timeCost = System.currentTimeMillis() - start;
        System.out.println("createStringBuffer:" + timeCost + " ms");
    }
    public static String createStringBuffer(String str1, String str2) {
        StringBuffer sBuf = new StringBuffer();
        sBuf.append(str1);// append方法是同步操作
        sBuf.append(str2);
        return sBuf.toString();
    }
}

代码中createStringBuffer方法中的局部对象sBuf，就只在该方法内的作用域有效，不同线程同时调用createStringBuffer()方法时，都会创建不同的sBuf对象，因此此时的append操作若是使用同步操作，就是白白浪费的系统资源。

这时我们可以通过编译器将其优化，将锁消除，前提是java必须运行在server模式（server模式会比client模式作更多的优化），同时必须开启逃逸分析:

-server -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+EliminateLocks

其中+DoEscapeAnalysis表示开启逃逸分析，+EliminateLocks表示锁消除。

逃逸分析：比如上面的代码，它要看sBuf是否可能逃出它的作用域？如果将sBuf作为方法的返回值进行返回，那么它在方法外部可能被当作一个全局对象使用，就有可能发生线程安全问题，这时就可以说sBuf这个对象发生逃逸了，因而不应将append操作的锁消除，但我们上面的代码没有发生锁逃逸，锁消除就可以带来一定的性能提升。

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　锁削除是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的锁进行削除。锁削除的主要判定依据来源于逃逸分析的数据支持，如果判断到一段代码中，在堆上的所有数据都不会逃逸出去被其他线程访问到，那就可以把它们当作栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须进行。 
　　也许读者会有疑问，变量是否逃逸，对于虚拟机来说需要使用数据流分析来确定，但是程序员自己应该是很清楚的，怎么会在明知道不存在数据争用的情况下要求同步呢？答案是有许多同步措施并不是程序员自己加入的，同步的代码在Java程序中的普遍程度也许超过了大部分读者的想象。我们来看看下面代码清单13-6中的例子，这段非常简单的代码仅仅是输出三个字符串相加的结果，无论是源码字面上还是程序语义上都没有同步。 

　　代码清单 13-6 一段看起来没有同步的代码 

Java代码  

1. public String concatString(String s1, String s2, String s3) {  
2.     return s1 + s2 + s3;  
3. }  

Java代码  

1. public String concatString(String s1, String s2, String s3) {  
2.     StringBuffer sb = new StringBuffer();  
3.     sb.append(s1);  
4.     sb.append(s2);  
5.     sb.append(s3);  
6.     return sb.toString();  
7. }  

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This is an example of manual "lock coarsening" and may have been done to get a performance boost.

Consider these two snippets:

StringBuffer b = new StringBuffer();
for(int i = 0 ; i < 100; i++){
    b.append(i);
}

versus:

StringBuffer b = new StringBuffer();
synchronized(b){
  for(int i = 0 ; i < 100; i++){
     b.append(i);
  }
}

In the first case, the StringBuffer must acquire and release a lock 100 times (because append is a synchronized method), whereas in the second case, the lock is acquired and released only once. This can give you a performance boost and is probably why the author did it. In some cases, the compiler can perform this lock coarsening for you (but not around looping constructs because you could end up holding a lock for long periods of time).

By the way, the compiler can detect that an object is not "escaping" from a method and so remove acquiring and releasing locks on the object altogether (lock elision) since no other thread can access the object anyway. A lot of work has been done on this in JDK7.

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转载自：Java锁消除

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概述

锁消除是Java虚拟机在JIT编译是，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过锁消除，可以节省毫无意义的请求锁时间。

实验

看如下代码：

package com.winwill.lock;

/**
 * @author qifuguang
 * @date 15/6/5 14:11
 */
public class TestLockEliminate {
    public static String getString(String s1, String s2) {
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(s1);
        sb.append(s2);
        return sb.toString();
    }

    public static void main(String[] args) {
        long tsStart = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            getString("TestLockEliminate ", "Suffix");
        }
        System.out.println("一共耗费：" + (System.currentTimeMillis() - tsStart) + " ms");
    }
}

getString()方法中的StringBuffer数以函数内部的局部变量，进作用于方法内部，不可能逃逸出该方法，因此他就不可能被多个线程同时访问，也就没有资源的竞争，但是StringBuffer的append操作却需要执行同步操作:

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

逃逸分析和锁消除分别可以使用参数-XX:+DoEscapeAnalysis和-XX:+EliminateLocks(锁消除必须在-server模式下)开启。使用如下参数运行上面的程序：

-XX:+DoEscapeAnalysis -XX:-EliminateLocks

得到如下结果： 

使用如下命令运行程序：

-XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+EliminateLocks

得到如下结果： 

结论

由上面的例子可以看出，关闭了锁消除之后，StringBuffer每次append都会进行锁的申请，浪费了不必要的时间，开启锁消除之后性能得到了提高。