Sychronized的锁升级过程是怎样的

淩亂°似流年 2024-05-24 04:50 70阅读 0赞

\`synchronized\`关键字的锁升级过程是Java为了提高锁的性能，减少在无竞争或多线程轻度竞争情况下的开销而设计的一套机制。这一过程主要涉及以下四个阶段：

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1. 无锁状态：当一个对象刚创建时，并没有锁与其关联，处于无锁状态。

2. 偏向锁（Biased Locking）：  
\-初始化：当第一个线程访问同步代码块或方法时，JVM会将对象头的MarkWord设置为偏向锁，并记录这个线程的ID。  
\-偏向：如果后续的访问仍然是由这个线程发起的，无需进行同步操作，直接执行代码即可，因为锁已经偏向于这个线程  
\-撤销：如果有其他线程尝试访问这个同步块，偏向锁将被撤销，并进入轻量级锁状态。撤销时会有一定的开销，包括检查偏向锁标识、CAS操作尝试清除偏向锁等。

3.轻量级锁（Lightweight Locking）：  
\-自旋：当有第二个线程尝试获取锁时，偏向锁被撤销，转换为轻量级锁。线程会在自己的栈帧中创建一个称为Lock Record的空间，用于存储锁的Mark Word的拷贝。  
\-CAS操作：然后通过CAS操作尝试将对象头的Mark Word替换为指向Lock Record的指针。如果成功，线程获得锁；失败，则说明存在竞争，线程将自旋一段时间，不断尝试CAS操作直到成功或达到自旋上限。  
\-自旋失败：如果自旋超过一定次数（自旋阈值）仍未获得锁，轻量级锁将升级为重量级锁。

4.重量级锁（Heavyweight Locking）：  
\-监视器锁：当多个线程竞争激烈，轻量级锁无法有效处理时，锁升级为重量级锁。此时，JVM会调用操作系统的互斥量（mutex）来实现线程阻塞和唤醒，这会导致线程挂起和恢复，开销较大。  
\-阻塞与唤醒：未获取到锁的线程会被阻塞，进入等待队列，而持有锁的线程执行完毕后，会唤醒队列中的下一个等待线程。

public class Synchronized2Example {
        // 对象锁示例
        public synchronized void method1() {
            System.out.println("Method 1 executing by " + Thread.currentThread().getName());
            try {
                Thread.sleep(2000); // 模拟耗时操作，增加锁竞争的可能性
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
        // 代码块锁示例，锁定的是object实例
        private Object object = new Object();
    
        public void method2() {
            synchronized (object) { // 这里使用的是对象锁
                System.out.println("Method 2 executing by " + Thread.currentThread().getName());
                try {
                    Thread.sleep(2000); // 模拟耗时操作
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            Synchronized2Example example = new Synchronized2Example();
    
            Thread t1 = new Thread(() -> example.method1(), "Thread-1");
            Thread t2 = new Thread(() -> example.method2(), "Thread-2");
    
            t1.start();
            t2.start();
    
        }
    }

运行这段程序，可以看到两个线程分别尝试访问这两个同步方法或代码块。虽然这个示例并不能直观展示锁升级的过程，但它可以帮助理解`synchronized`如何保证线程间的同步。

锁升级的整个过程是不可逆的，一旦升级到重量级锁，就不会再降级回轻量级锁或偏向锁。这种设计旨在根据竞争程度动态调整锁策略，以达到最佳性能平衡。

注：

下面是对各个锁的解释

1.偏向锁:在锁对象的对象头中记录一下当前获取到该锁的线程ID，该线程下次如果又来获取  
该锁就可以直接获取到了，也就是支持锁重入

2.轻量级锁:由偏向锁升级而来，当一个线程获取到锁后，此时这把锁是偏向锁，此时如果有  
第二个线程来竞争锁，偏向锁就会升级为轻量级锁，之所以叫轻量级锁，是为了和重量级锁区分开来，轻量级锁底层是通过自旋来实现的，并不会阻塞线程

3.如果自旋次数过多仍然没有获取到锁，则会升级为重量级锁，重量级锁会导致线程阻塞

4.自旋锁∶自旋锁就是线程在获取锁的过程中，不会去阻塞线程，也就无所谓唤醒线程，阻塞和唤醒这两个步骤都是需要操作系统去进行的，比较消耗时间，自旋锁是线程通过CAS获取预期的一个标记，如果没有获取到，则继续循环获取，如果获取到了则表示获取到了锁，这个过程线程一直在运行中，相对而言没有使用太多的操作系统资源，比较轻量。

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