互斥锁的系统开销

前文《Java面试必考问题：如何理解关键字synchronized 》我们介绍了 synchronized 关键字给对象加锁是互斥锁，用来实现线程同步。互斥同步对性能最大的影响是线程阻塞，挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给系统性能带来了很大压力。

互斥同步会有两次线程上下文切换的成本：

• 当线程加锁失败时，内核会把线程的状态从 “运行” 状态设置为 “睡眠” 状态，然后把 CPU 切换给其他线程运行；
• 当锁被释放时，之前 “睡眠” 状态的线程会变为 “就绪” 状态，然后内核会在合适的时间，把 CPU 切换给该线程运行。

上下文切换需要几十纳秒到几微秒之间，如果锁住的代码执行时间极短，那花在两次上下文切换的时间就会远多于锁住代码的执行时长。

不做线程切换的自旋锁

虚拟机的开发团队也注意到在很多应用中，共享数据的锁定状态通常只会持续很短的一段时间，为了这么短的时间去挂起和恢复线程很不值得。于是他们想到了一种降低线程切换的系统开销的办法。

在多核处理器的系统中，可以让后面请求锁的那个线程先等一下，暂不需要放弃CPU的执行时间，看当前持有锁的线程是否会很快释放掉。如果等一会就能获得锁，就避免了线程切换的开销了。

为了让后面的线程等待，我们只需让线程执行一个忙循环（busy loop），即所谓的自旋锁（spin lock）。自旋锁是一种比较简单的锁，一直自旋，利用 CPU 周期，直到锁可用为止，是通过自旋操作减少CPU切换以及恢复现场导致的消耗。

自旋锁在JDK 1.4.2中就已经引入，只不过默认是关闭的，可以使用 -XX:+UseSpinning 参数来开启，在JDK 1.6中就已经改为默认开启了。

自旋等待本身虽然避免了线程切换的开销，但它还是要占用处理器时间的，因此，如果锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就会非常好，反之，如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源，反而会带来性能上的浪费。因此，自旋等待的时间必须要有一定的限度。

如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁，就应当挂起线程了。自旋次数的默认值是10次，用户可以使用参数 -XX:PreBlockSpin 来更改。

另外注意的是：在单核 CPU 上，自旋锁是无法使用的，因为一个自旋的线程永远不会放弃 CPU。其他占用锁的线程也没有机会执行代码去释放锁。

自适应的自旋锁

在JDK 1.6中引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的时间不再固定了，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。

如果虚拟机认为自旋很有可能成功获得锁，那么它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那么虚拟机就可能直接省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源。

有了自适应自旋，随着程序运行和性能监控信息的不断完善，虚拟机对程序锁的状况预测就会越来越准确，性能就会越来越好。

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参考资料：《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》

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