David.Turing's blog

 

关于JVM的Thin Lock, Fat Lock, SPIN Lock与Tasuki Lock

Java很多ThreadDump中,都可以看到Thin Lock, Fat Lock, Spin Lock,这些Lock都与Java语言、OS有密切的关系。
回到一个简单的问题,在Java中,如何实现Synchronizd?
最简单的一种做法是,利用OS的mutex机制,把Java的同步(基于Object),翻译成OS相关的monitor_enter和monitor_exit原语。


回到Java锁本身,锁在不同的应用下有着不同的统计表现,而大部分的统计数据表明,其实线程抢锁,即锁竞争,都是短暂的,在大部分的情况下,几乎都不会发生锁竞争的现象。
也就是说,Java锁,从安全性的角度来看,是有点累赘。
因此,大量的专家都在锁上针对这样的统计特性对Java锁进行优化。
其中一种优化方案是,我们对所有的锁都需要monitor_enter和monitor_exit吗?事实上不需要。

如果我们把monitor_enter/monitor_exit看成是Fat Lock方式,则可以把Thin Lock看成是一种基于CAS(Compare and Swap)的简易实现。
这两种锁,简单一点理解,就是:

而基于CAS方式的实现,线程进入竞争状态的,获得锁的线程,会让其他线程处于自旋状态(也称之为Spin Mode,即自旋),这是一种while(Lock_release) doStuff()的Busy-Wait方式,是一种耗CPU的方式;而Fat Lock方式下,一个线程获得锁的时候,其他线程可以先sleep,等锁释放后,再唤醒(Notify)。
CAS的优点是快,如果没有线程竞争的情况下,因为CAS只需要一个指令便获得锁,所以称之为Thin Lock,缺点也是很明显的,即如果频繁发生线程竞争,CAS是低效,主要表现为,排斥在锁之外的线程是Busy Wait状态;而monitor_enter/monitor_exit/monitor_notify方式,则是重量级的,在线程产生竞争的时候,Fat Lock在OS mutex方式下,可以实现no busy-wait。

于是,JVM早期版本的做法是,如果T1, T2,T3,T4...产生线程竞争,则T1通过CAS获得锁(此时是Thin Lock方式),如果T1在CAS期间获得锁,则T2,T3进入SPIN状态直到T1释放锁;而第二个获得锁的线程,比如T2,会将锁升级(Inflation)为Fat Lock,于是,以后尝试获得锁的线程都使用Mutex方式获得锁。

这种设计为锁提供了两条路径:Thin Lock路径和Fat Lock路径,大部分情况下,可能都是走Thin Lock路径,而可能少部分情况,是走Fat Lock路径,这种方式提供了锁升级,但是避免不了Busy Wait,而且Thin-Lock升级Fat-Lock之后,没有办法回退到Thin-Lock(性能比Fat-Lock更好)。

Tasuki锁为这种方式做了2个优化:
1) 避免CAS导致Busy wait
2) Fat Lock可以deflate(与Inflate刚好相反)为Thin Lock(之前是Thin Lock变成Fat Lock之后便不能再回退)。

经过这样的改造后,锁性能提高了10%以上。

目前,Oracle的BEA JRockit与IBM的JVM都实现了Tasuki锁机制,唯一的不同是,在锁实现上都做了不同启发式的设计,即根据运行时采样的数据,动态调整一些权值数据,一边左右Lock Inflation/Lock Defaltion的过程(一颗树的两个分支),获取更好的锁性能。

对JVM锁有兴趣的朋友可以与我联系(mail:weblogic在vip.qq.com

另外一种针对锁的优化手段,叫做Lazy-Unlocking,可以在Tasuki Lock之上构造,可以参见我另外一篇随笔
http://www.blogjava.net/security/archive/2009/02/12/Lazy_Java_Lock.html

posted on 2009-02-16 14:49 david.turing 阅读(7334) 评论(3)  编辑  收藏 所属分类: JVM

评论

# re: 关于JVM的Thin Lock, Fat Lock, SPIN Lock与Tasuki Lock 2009-04-06 22:19 flyisland

顶!  回复  更多评论   

# re: 关于JVM的Thin Lock, Fat Lock, SPIN Lock与Tasuki Lock 2009-04-21 19:17 wfeng007

不错。。。还有研究 dump文件的阿 不错不错呵呵  回复  更多评论   

# re: 关于JVM的Thin Lock, Fat Lock, SPIN Lock与Tasuki Lock 2010-12-02 15:02 游客

达人呀。研究的很深呀。
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