面试题：Java线程安全中的锁优化策略

Question

在高并发的Java应用中，锁的使用对性能影响很大。请阐述几种常见的锁优化策略，如锁粗化、锁消除、偏向锁、轻量级锁等，说明它们是如何工作的，在什么场景下会生效，以及使用这些策略时可能面临的问题。

Answer 1

锁粗化

• 工作原理：
  • 将多次连续的加锁、解锁操作合并为一次，扩大锁的作用范围。比如在一个循环中多次对同一对象加锁解锁，JVM 会将这些操作优化为在循环外部加锁一次，循环结束后解锁一次。
• 生效场景：
  • 当一系列连续操作都对同一个锁对象进行加锁解锁，且中间没有其他线程竞争该锁时，锁粗化能减少频繁加锁解锁带来的性能开销。
• 可能面临的问题：
  • 锁粗化后，锁的持有时间变长，如果有其他线程竞争锁，会导致其他线程等待时间增加，降低系统的并发性能。

锁消除

• 工作原理：
  • JVM 编译器在编译时，通过逃逸分析判断一个对象是否不会被其他线程访问，如果不会，则消除对该对象的加锁操作。例如一个局部对象，其只在方法内部使用，没有被其他线程访问的可能，那么对该对象的加锁操作会被消除。
• 生效场景：
  • 适用于对象的使用范围局限在单个线程内，没有逃逸出该线程的场景。这种情况下，锁操作实际上是不必要的，锁消除可以避免无谓的锁开销。
• 可能面临的问题：
  • 如果逃逸分析不准确，误将可能被其他线程访问的对象的锁消除，会导致线程安全问题。

偏向锁

• 工作原理：
  • 偏向锁是为了在无竞争情况下减少锁获取的开销。当一个线程访问加锁对象时，会在对象头中记录该线程的 ID，以后该线程再次访问该对象时，发现对象头中的线程 ID 是自己的，则无需进行额外的加锁操作，直接进入同步块。只有当其他线程尝试访问该对象时，偏向锁才会被撤销，升级为轻量级锁。
• 生效场景：
  • 适用于锁基本总是由同一个线程多次获取的场景，如单线程频繁访问某个加锁资源。这种情况下，偏向锁能极大提高性能，因为避免了每次加锁的开销。
• 可能面临的问题：
  • 如果实际应用场景中锁竞争频繁，偏向锁不断被撤销和升级，会带来额外的性能开销。而且偏向锁的撤销需要等待全局安全点，可能会导致短暂的停顿。

轻量级锁

• 工作原理：
  • 当偏向锁升级为轻量级锁时，线程在自己的栈帧中创建锁记录，将对象头中的 Mark Word 复制到锁记录中，然后尝试使用 CAS 操作将对象头中的 Mark Word 替换为指向锁记录的指针。如果 CAS 操作成功，线程获得锁；如果失败，表示有其他线程竞争锁，轻量级锁会膨胀为重量级锁。
• 生效场景：
  • 适用于竞争不是特别激烈的场景。在这种场景下，轻量级锁通过 CAS 操作尝试获取锁，避免了重量级锁的线程阻塞和唤醒带来的开销，能提升性能。
• 可能面临的问题：
  • 如果竞争过于激烈，CAS 操作失败频繁，轻量级锁会频繁膨胀为重量级锁，导致性能下降。而且 CAS 操作本身也有一定的开销，如果操作过于频繁，也会影响性能。