【JAVA-面经】7.Synchronized 锁的升级过程

在多线程编程中，确保线程安全是一个重要的课题。Java 的 synchronized 关键字是实现线程同步的基本工具，它能够保护共享资源不被多个线程同时访问。为了提高性能，Java 虚拟机（JVM）在 synchronized 锁的实现中使用了各种优化策略。本文将详细介绍 synchronized 锁的升级过程，包括从无锁状态到偏向锁、轻量级锁和重量级锁的转换机制，并介绍自旋锁的相关知识点。

锁的升级过程

1. 无锁状态（No Lock）

• 场景：当一个线程第一次请求同步块时，锁初始状态为无锁状态。
• 操作：如果没有其他线程竞争该锁，线程可以直接进入同步块并执行代码。此时，JVM 不会进行任何实际的锁操作，锁的开销为零。

2. 偏向锁（Biased Locking）

• 场景：如果一个线程多次获取同一个锁而没有其他线程竞争，JVM 会将锁升级为偏向锁。
• 操作：偏向锁的机制旨在减少同步操作的开销。它将锁的标记设置为偏向于当前线程，意味着锁的检查和释放操作几乎没有性能开销。只有当其他线程尝试获取该锁时，锁的状态才会改变。偏向锁通过避免不必要的锁操作来提高性能。

3. 轻量级锁（Lightweight Locking）

• 场景：当有多个线程争用同一个偏向锁时，偏向锁会升级为轻量级锁。
• 操作：在轻量级锁模式下，线程使用自旋锁机制来尝试获取锁。自旋锁允许线程在短时间内不断尝试获取锁。如果在自旋过程中成功获取锁，线程可以进入同步块。如果自旋尝试失败，锁会进一步升级为重量级锁。轻量级锁使用锁记录（Lock Record）来协调访问，减少锁的开销。

4. 重量级锁（Heavyweight Locking）

• 场景：如果轻量级锁的自旋尝试失败，即线程在自旋过程中长时间未能获取锁，锁会升级为重量级锁。
• 操作：重量级锁使用操作系统级别的互斥量（mutex）来实现线程同步。当线程竞争激烈时，重量级锁通过挂起和唤醒线程来保证同步，这种机制虽然提供了更强的同步保证，但也会引入较高的性能开销。

自旋锁（Spin Lock）

自旋锁是一种用于实现线程同步的机制，它允许线程在获取锁时在循环中“自旋”等待，直到锁变得可用。自旋锁在 synchronized 锁的轻量级锁阶段起到重要作用。

• 工作原理：当一个线程尝试获取一个锁时，如果锁处于轻量级状态，线程将进入自旋状态。在自旋过程中，线程不断检查锁的状态，直到锁被释放或者达到自旋的最大次数。
• 优点：
  • 减少上下文切换：自旋锁避免了线程挂起和唤醒的开销。
  • 提高性能：在锁竞争较少且锁持有时间短的情况下，自旋锁能显著提高性能。
• 缺点：
  • 忙等待：自旋锁会使线程在等待期间持续占用CPU资源，可能浪费计算资源。
  • 适应性较差：对于锁的持有时间不可预测的情况，自旋锁的效率较低。

示例代码（Java 自旋锁）：

public class SpinLock {
    private volatile boolean isLocked = false;

    public void lock() {
        while (true) {
            if (!isLocked) {
                synchronized (this) {
                    if (!isLocked) {
                        isLocked = true;
                        return;
                    }
                }
            }
            // Busy-wait (spin)
        }
    }

    public void unlock() {
        synchronized (this) {
            isLocked = false;
        }
    }
}

锁的优化和控制

• 锁消除（Lock Elimination）：JVM 可以在编译时进行锁消除优化，若发现某段代码的锁没有实际竞争需求，便会消除锁的操作，从而提高性能。
• 锁粗化（Lock Coarsening）：为了减少频繁的锁获取和释放操作，JVM 会将多个小范围的锁操作合并为一个更大的锁范围，降低锁的开销。
• 锁膨胀（Lock Inflation）：当轻量级锁的自旋尝试失败并且存在多个线程争用时，JVM 将锁膨胀为重量级锁，以确保线程安全。

锁的状态

在 Java 中，可以通过线程 dump 等工具查看 synchronized 锁的状态。锁的不同状态反映了 JVM 在同步操作中的性能优化过程。理解这些状态有助于编写高效的并发代码，并能够在调试和性能优化时做出更明智的决策。

总结

sychronized 锁的升级机制是 Java 虚拟机优化性能的一部分，从无锁状态到偏向锁、轻量级锁再到重量级锁的过程，都是为了在不同的线程竞争条件下提供最佳的同步性能。自旋锁作为轻量级锁的一部分，通过自旋等待的方式来获取锁，在锁持有时间较短的场景中能够显著提高性能。了解这些机制可以帮助你更好地利用 synchronized 关键字，编写高效且线程安全的 Java 代码。

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