面试官: JVM对Java原生锁做了哪些优化?

我回答:

在Java高级面试中，关于JVM对Java原生锁的优化是一个重要的话题。JVM（Java虚拟机）为了提高多线程程序的性能和效率，对Java的原生锁（如synchronized关键字和Lock接口）进行了多种优化。以下是这些优化的详细解析：

1. 偏向锁（Bias Locking）

优化目标：减少无竞争情况下的锁性能开销。

工作原理：

• 当一个线程首次访问同步块并获取锁时，JVM会在对象头上记录锁的信息（如线程ID和锁标志）。
• 如果同一个线程再次访问这个同步块，JVM会检查锁的状态。如果锁仍然是偏向锁且由同一个线程持有，则直接允许该线程进入同步块，无需再次进行同步操作。
• 偏向锁在只有一个线程访问同步资源时性能最佳，但在多个线程竞争锁时，JVM会撤销偏向锁，将其升级为轻量级锁或重量级锁。

2. 轻量级锁（Lightweight Locking）

优化目标：在低竞争条件下减少锁的开销。

工作原理：

• 当多个线程尝试竞争同一个锁时，JVM会尝试使用轻量级锁来优化。
• 轻量级锁通过CAS（Compare And Swap）操作来尝试获取锁，而不是直接阻塞线程。
• 如果CAS操作成功，表示线程成功获取了锁；如果失败，则表明有其他线程正在持有锁，此时线程会进入自旋状态，不断尝试获取锁，直到成功或自旋次数达到阈值。

3. 自旋锁（Spin Lock）与适应性自旋（Adaptive Spinning）

优化目标：避免线程阻塞和唤醒的开销，提高短时间锁竞争的性能。

工作原理：

• 自旋锁允许线程在竞争锁时进行一段时间的自旋等待，而不是立即进入阻塞状态。
• 适应性自旋则根据锁的竞争情况动态调整自旋的次数，以减少不必要的自旋和CPU资源浪费。
• 如果竞争激烈，自旋次数会减少；如果竞争不激烈，自旋次数会增加。

4. 锁消除（Lock Elimination）

优化目标：通过静态分析或即时编译器优化，消除不必要的锁操作。

工作原理：

• JVM会分析代码逻辑，如果发现某个锁在某个时刻只会被一个线程访问，或者锁的操作可以被安全地移除而不影响程序的正确性，就会将这个锁的操作消除。

5. 锁粗化（Lock Coarsening）

优化目标：减少锁操作的频率，降低锁的开销。

工作原理：

• 当JVM检测到多个连续的细粒度锁操作被同一个线程重复执行时，它会将这些细粒度锁合并为一个粗粒度锁。
• 这样可以减少锁的获取和释放次数，从而提高性能。

6. 其他优化

• 重量级锁：在高竞争条件下，JVM会使用传统的重量级锁来保证线程安全，但性能开销较大。
• 公平锁与非公平锁：这是Lock接口的优化点，公平锁保证线程按照请求锁的顺序获取锁，而非公平锁则不保证顺序。

综上所述，JVM对Java原生锁进行了多种优化，包括偏向锁、轻量级锁、自旋锁、适应性自旋、锁消除、锁粗化等，以提高多线程程序的性能和效率。这些优化技术使得Java在并发编程中更具竞争力和可伸缩性。在面试中，理解这些优化技术的原理和应用场景是非常重要的。