面试题：Java JVM 线程管理中的锁优化策略

Question

在 Java JVM 线程管理场景下，常常会涉及到锁机制，为了提升性能需要对锁进行优化。请描述至少三种常见的锁优化策略，并说明每种策略适用的场景。

Answer 1

1. 减少锁的粒度
   • 策略描述：将大对象（可能被多个线程访问）拆分成多个小对象，每个小对象单独加锁。这样不同线程可以同时访问不同的小对象，从而减少锁竞争。
   • 适用场景：适用于对象包含多个相对独立的部分，且不同部分被不同线程访问概率较高的场景。比如在一个电商系统中，商品对象包含商品基本信息、库存信息、价格信息等，不同业务模块对这些信息的操作相对独立，就可以对每个部分分别加锁。
2. 锁粗化
   • 策略描述：如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作出现在循环体中，此时可以将加锁的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部。这样减少了加锁解锁的次数，提升性能。
   • 适用场景：适用于在一段代码中，频繁对同一对象进行加锁解锁操作的场景。例如，在一个方法中多次调用同一个对象的同步方法，就可以考虑锁粗化。
3. 偏向锁
   • 策略描述：偏向锁是为了在无竞争情况下减少锁获取的开销。当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头中记录这个线程的 ID，以后该线程再次进入和退出同步块时，不需要进行 CAS 操作来加锁和解锁，只需要简单判断对象头的偏向锁标志位和线程 ID。
   • 适用场景：适用于大部分时间只有一个线程访问同步块的场景。比如单线程环境下，或者在一个线程长时间持有锁的情况下，偏向锁能显著提升性能。
4. 轻量级锁
   • 策略描述：当锁是偏向锁时，来了第二个线程访问同步块，偏向锁就会升级为轻量级锁。轻量级锁在竞争不是特别激烈的情况下，通过 CAS 操作来尝试获取锁，避免了重量级锁使用操作系统互斥量带来的性能开销。
   • 适用场景：适用于竞争不太激烈的场景，线程交替执行同步块的情况比较多，使用轻量级锁能减少线程阻塞和唤醒带来的开销。
5. 自旋锁
   • 策略描述：当一个线程尝试获取锁时，如果锁已经被其他线程持有，该线程不会立即阻塞，而是在原地循环等待一段时间，在这段时间内不断尝试获取锁，希望在等待期间持有锁的线程能释放锁，从而避免线程上下文切换的开销。
   • 适用场景：适用于锁被持有时间较短，线程竞争不激烈的场景。因为如果自旋时间过长，反而会浪费 CPU 资源，不如直接阻塞线程。例如在一些简单的同步代码块，执行时间很短，自旋锁能有效提升性能。