synchronized的实现原理与锁升级过程：深入剖析背后的细节！

开篇语

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一、前言

Java 的并发编程中，synchronized 关键字是最基本、最常用的同步机制之一。它的作用看似简单：保证同一时刻只有一个线程能够执行被 synchronized 修饰的方法或代码块。然而，在实现上，它的原理却涉及到大量的底层操作、复杂的锁机制与锁优化技术。要想真正理解它，我们不能仅仅停留在表面，必须深入分析它背后的实现原理及锁升级过程。

在本文中，我们将通过分析 synchronized 的底层实现原理、锁的升级机制、偏向锁、轻量级锁、重量级锁等多种锁的演化过程，揭示它如何高效地实现同步控制以及如何在不同情况下优化性能。

二、synchronized 的原理：从字节码到操作系统

1. synchronized 关键字的基本功能

在 Java 中，synchronized 主要有两种使用方式：

• 修饰方法：通过修饰实例方法或者静态方法，保证同一时刻只有一个线程能执行该方法。
• 修饰代码块：通过修饰代码块，限定同步区域，使得在特定区域内，只有一个线程可以访问。

2. synchronized 的底层实现

Java 中的 synchronized 依赖于**对象头（Object Header）和监视器锁（Monitor Lock）**来实现同步控制。每个对象都维护着一个监视器锁，每当一个线程执行同步方法或代码块时，必须先获得这个锁。

具体的实现过程如下：

• 对象头：每个对象都有一个对象头（Object Header），其中包括了对象的锁状态信息。这个对象头包含两部分：

  • Mark Word：用于存储对象的哈希码、GC 状态、锁状态等信息。
  • Class Pointer：指向该对象所属类的元数据（类元信息）。

  在锁相关的操作中，Mark Word 会包含对象的锁状态，如是否处于锁定状态。

• 监视器锁：synchronized 锁的管理是通过监视器锁（Monitor）来完成的。每个对象都有一个与之相关联的 Monitor。线程在进入同步块时，必须获取该对象的 Monitor 锁，执行完同步块后再释放该锁。

3. 锁的状态与竞争

在 Java 的实现中，锁有多个不同的状态，这些状态依赖于锁的持有者和竞争情况：

• 无锁状态：对象没有被任何线程持有锁。
• 偏向锁（Biased Locking）：一种优化锁的机制，允许锁的拥有者线程在没有其他线程竞争的情况下继续持有锁，减少了获取锁的开销。
• 轻量级锁（Lightweight Locking）：当偏向锁无法再使用时，JVM 会使用轻量级锁，通过 CAS 操作来实现锁的竞争。
• 重量级锁（Heavyweight Locking）：当锁竞争激烈，轻量级锁也无法满足需求时，JVM 会将锁升级为重量级锁，使用操作系统的互斥锁机制进行同步。

三、锁升级过程：从偏向锁到重量级锁

1. 偏向锁（Biased Locking）

偏向锁是一种优化锁竞争的机制，它的目标是减少无竞争时的性能开销。当一个线程获取锁时，它会将该锁标记为偏向锁，之后该线程每次请求锁时，都会发现自己已经拥有锁，因此可以跳过一些锁管理操作，从而降低同步的性能开销。

偏向锁的基本工作流程：

1. 偏向锁的获取：当一个线程第一次获取某个对象的锁时，JVM 会尝试将这个锁标记为偏向锁，并记录下当前线程的 ID。
2. 偏向锁的释放：如果该锁被其他线程获取，偏向锁会被撤销，进入轻量级锁的竞争。

偏向锁的优点是能大大减少线程间竞争时的开销，但如果在一个锁被多个线程频繁竞争的情况下，偏向锁会成为一种负担，因此会转向下一阶段的锁类型。

2. 轻量级锁（Lightweight Locking）

当一个线程获取了偏向锁后，如果它在持有锁的过程中发生了线程竞争，偏向锁会撤销并升级为轻量级锁。轻量级锁主要通过**CAS（Compare and Swap）**操作来保证锁的竞争。

轻量级锁的工作流程：

1. 获取锁时：线程会使用原子操作 CAS 来尝试将锁标记为轻量级锁。CAS 操作会检查该锁对象的 Mark Word 是否为空，如果为空，线程就能成功获得锁。
2. 竞争时：如果其他线程同时也尝试获取锁，当前线程会发现 CAS 操作失败，此时锁会进入到竞争阶段，可能会升级为重量级锁。

轻量级锁的优势在于，它减少了操作系统层面的开销，不需要进行上下文切换，因此在竞争较轻的场景下能够获得显著的性能提升。

3. 重量级锁（Heavyweight Locking）

当多个线程竞争同一个对象的锁，且轻量级锁也无法满足时，JVM 会将锁升级为重量级锁，采用操作系统提供的互斥锁机制。重量级锁的特点是通过内核同步机制（如 pthread_mutex）来确保线程的独占访问，通常需要进行上下文切换，因此其性能开销较大。

重量级锁的工作流程：

1. 升级为重量级锁：当锁竞争非常激烈时，轻量级锁会失败并且被升级为重量级锁。此时，线程会进入操作系统内核进行同步。
2. 阻塞与唤醒：在重量级锁下，线程可能会被阻塞，直到获取到锁之后才会被唤醒。

重量级锁的缺点是性能开销较大，因为它涉及到线程阻塞、唤醒以及上下文切换，但在竞争非常激烈的情况下，重量级锁是必要的。

四、synchronized 锁的优化

1. 自旋锁（Spin Lock）

自旋锁是在轻量级锁的基础上进一步优化的机制。当线程获取不到锁时，它不会立即进行阻塞，而是会在短时间内反复尝试获取锁（自旋），直到成功为止。自旋锁适用于锁竞争较少的场景，因为它可以避免线程在获取锁时产生不必要的上下文切换。

2. 锁消除（Lock Elimination）

JVM 在执行代码时，通过逃逸分析（Escape Analysis）来判断锁是否是多余的。如果在某些情况下，JVM 能够证明锁是无效的，它会消除掉这些不必要的锁，从而提升程序的性能。锁消除通常发生在局部变量的同步代码块中。

3. 锁粗化（Lock Coarsening）

锁粗化是一种优化技术，JVM 会将多个小范围的锁合并成一个大的锁，从而减少获取锁的次数，降低锁管理的开销。

五、synchronized 和其他同步机制的对比

1. synchronized 与 ReentrantLock

• synchronized：底层依赖 JVM 管理的监视器锁（Monitor Lock），会自动释放锁；适合简单的同步需求，且易于使用，但不提供更细粒度的控制（如超时、可中断等）。
• ReentrantLock：属于显式锁，使用 lock() 和 unlock() 方法进行锁的获取与释放，提供了更强大的功能，例如可中断、定时锁、死锁检测等。

2. synchronized 与 volatile

• synchronized：保证了可见性、原子性和顺序性，适合处理复杂的同步需求。
• volatile：仅保证可见性，适合处理一些简单的并发问题，如状态标志的同步。

六、总结

通过深入分析 synchronized 的原理，我们可以发现它不仅仅是一个简单的同步工具，而是一个通过不断升级和优化来解决并发问题的机制。synchronized 从偏向锁、轻量级锁到重量级锁的演变，展示了 JVM 在锁竞争中对性能的极致追求。

• 偏向锁：减少无竞争时的开销。
• 轻量级锁：通过 CAS 操作来避免线程阻塞。
• 重量级锁：当竞争激烈时通过操作系统提供的锁机制来保证同步。

通过了解这些机制，开发者能够更好地理解锁的背后实现，并根据实际需求选择合适的同步策略，写出更高效、更稳定的并发代码。

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文末

好啦，以上就是我这期的全部内容，如果有任何疑问，欢迎下方留言哦，咱们下期见。

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