Java 并发编程：Synchronized 从底层原理到锁升级全解析
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synchronized 与 ReentrantLock 的对比
前言
synchronized是 Java 中用于实现线程同步的关键字，它可以确保在多线程环境下，某一时刻只有一个线程能够访问特定的代码块或方法。常见的用途包括：解决共享资源访问冲突，保证数据一致性，避免竞态条件等问题。其使用方式比较简单，但背后的实现机制较为复杂，涉及到线程锁、锁的升级等概念。
一、 synchronized 的基本用法
先来看下利用synchronized实现同步的基础：Java中的每一个对象都可以作为锁。具体表为以下3种形式；
1 修饰普通实例方法，锁的是当前实例对象
public synchronized void method() {
// 需要同步执行的代码
}
- 这种方式表示对于某个实例对象（
this），在同一时刻只有一个线程能够调用该实例的method()方法。
2 修饰静态方法，锁的是当前类的Class对象
public synchronized static void method() {
// 需要同步执行的代码
}
- 对于静态方法，锁是基于
Class对象的，也就是锁住类本身。在同一时刻，只有一个线程能够执行类的静态方法。
3 修饰代码块，锁的是Synchonized括号里配置的对象
public void method() {
synchronized (this) {
// 需要同步执行的代码
}
}
synchronized还可以用于代码块中，指定一个对象作为锁。这里的this表示当前实例对象的锁，也可以使用其他对象作为锁。
二、 synchronized 的锁升级机制
synchronized 的锁升级机制是 Java 6 引入的一项重要优化，目的是在保证线程安全的同时，尽量减少锁带来的性能开销。锁升级的过程从低到高分为四个阶段：无锁状态、偏向锁、轻量级锁 和 重量级锁。
1. 无锁状态
-
定义：对象刚被创建时，处于无锁状态。没有任何线程持有锁。
-
特点：
- 无锁状态是锁升级的起点。如果对象没有被任何线程访问，它会一直保持无锁状态。
2. 偏向锁（Biased Locking）
2.1 偏向锁的作用
-
适用场景：适用于只有一个线程访问同步代码块的场景。目标是减少无竞争时的锁开销。
-
工作原理：当第一个线程访问同步代码块时，JVM 会将对象头中的标记设置为偏向锁，并记录该线程的 ID。此时该对象的锁只偏心于该线程，因此叫偏向锁；
- 后续如果同一个线程再次访问同步代码块，JVM 会直接允许线程进入，无需加锁。
2.2 偏向锁的升级
-
触发条件：
- 当另一个线程尝试获取锁时，JVM 会检查对象头的线程 ID。
- 如果线程 ID 不匹配，说明存在竞争，偏向锁会升级为轻量级锁，同时持有该偏向锁的线程释放偏向锁。
偏向锁的撤销：JVM 会暂停持有偏向锁的线程，撤销偏向锁，并将对象头恢复为无锁状态或轻量级锁状态。
2.3 偏向锁的优点
- 减少无竞争时的开销：在单线程访问的场景下，偏向锁几乎没有任何性能开销。
3. 轻量级锁（Lightweight Locking）
3.1 轻量级锁的作用
-
适用场景：
- 适用于多个线程交替访问同步代码块，但没有真正竞争的场景。
- 目标是减少线程阻塞的开销。
-
工作原理：
-
当线程尝试获取锁时，JVM 会在当前线程的栈帧中创建一个锁记录（Lock Record），并将对象头中的标记复制到锁记录中。
-
然后，JVM 会尝试通过 自旋CAS 操作将对象头中的标记替换为指向锁记录的指针。
- 如果 自旋CAS 成功，线程获取锁。
- 如果 自旋CAS失败，说明存在竞争，轻量级锁会升级为重量级锁。
-
3.2 轻量级锁的升级
-
触发条件：
- 当存在多个线程竞争锁时，自旋CAS 操作就可能会失败。
- 当CAS失败时，JVM 会将轻量级锁升级为重量级锁。
3.3 轻量级锁的优点
- 减少线程阻塞：在低竞争场景下，轻量级锁通过 自旋CAS 操作避免了线程阻塞，性能较高。
4. 重量级锁（Heavyweight Locking）
4.1 重量级锁的作用
-
适用场景：
- 适用于高竞争场景，即多个线程同时竞争锁。目标是保证线程安全。
-
工作原理：
- 重量级锁依赖于操作系统的互斥信号量（Mutex）来实现线程同步。
- 当线程尝试获取锁时，如果锁已被其他线程持有，当前线程会进入阻塞状态，等待锁释放。
4.2 重量级锁的缺点
- 性能开销大：线程阻塞和唤醒会导致上下文切换，性能开销较大。
5. 锁升级的完整流程
-
初始状态：对象处于无锁状态。
-
偏向锁：
- 第一个线程访问同步代码块时，JVM 将对象标记为偏向锁，并记录偏向线程的 ID。
- 如果该线程再次访问同步代码块，JVM 会直接允许线程进入。
-
轻量级锁：
-
当另一个线程尝试获取锁时，JVM 会撤销偏向锁，升级为轻量级锁。
-
线程通过 自旋CAS 操作竞争锁。
- 如果 CAS 成功，线程获取锁。
- 如果 CAS 失败，说明存在竞争，升级为重量级锁。
-
-
重量级锁：
- 当多个线程竞争锁时，轻量级锁会升级为重量级锁。
- 线程进入阻塞状态，等待锁释放。
6. 锁升级的示例
以下是一个简单的示例，演示锁升级的过程：
public class LockUpgradeExample {
private static final Object lock = new Object();
public static void main(String[] args) {
// 线程 1：获取锁
new Thread(() -> {
synchronized (lock) {
System.out.println("Thread 1: 获取锁");
try {
Thread.sleep(2000); // 模拟操作
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
// 线程 2：尝试获取锁
new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(500); // 确保线程 1 先获取锁
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (lock) {
System.out.println("Thread 2: 获取锁");
}
}).start();
}
}
输出结果：
Thread 1: 获取锁
Thread 2: 获取锁
锁升级过程：
- 线程 1 获取锁，对象从无锁状态升级为偏向锁。
- 线程 2 尝试获取锁，偏向锁升级为轻量级锁。
- 如果线程 1 和线程 2 同时竞争锁，轻量级锁会升级为重量级锁。
7. 锁升级机制的意义
- 偏向锁：在单线程访问的场景下，偏向锁几乎没有任何性能开销。
- 轻量级锁：在低竞争场景下，轻量级锁通过 CAS 操作避免了线程阻塞，性能较高。
- 重量级锁：在高竞争场景下，重量级锁通过阻塞线程来保证线程安全。
总结
synchronized的锁升级机制是 Java 并发编程中的重要优化，它通过偏向锁、轻量级锁 和 重量级锁 的逐步升级，在保证线程安全的同时，尽量减少锁带来的性能开销。开发者可以根据具体的并发场景，理解锁升级的原理，从而编写出更高效的并发程序。
补充：synchronized与 ReentrantLock 的对比
| 特性 | synchronized |
ReentrantLock |
|---|---|---|
| 实现方式 | JVM 内置实现 | JDK 实现 |
| 锁类型 | 非公平锁 | 可选择公平锁或非公平锁 |
| 可中断性 | 不支持 | 支持 |
| 超时机制 | 不支持 | 支持 |
| 条件变量 | 不支持 | 支持 |
| 锁升级 | 支持（偏向锁、轻量级锁、重量级锁） | 不支持 |
| 性能 | 低竞争场景下性能较好 | 高竞争场景下性能较好 |
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