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在Java中,synchronized 锁升级的原理机制及过程?

mhr18 2025-02-06 15:43 14 浏览 0 评论

苍穹之边,浩瀚之挚,眰恦之美; 悟心悟性,善始善终,惟善惟道! —— 朝槿《朝槿兮年说》



提起synchronized ,我们都知道它是Java语言中的关键词,是提供给开发人员使用的同步工具,可以将其看成一种“语法糖”。主要是Java为解决多线程并发执行过程中数据同步的问题而内建的同步机制,而在其他编程语言里面,在处理同步问题时是需要自己进行锁处理。由此可见,Java提供这个关键词对于我们确实很友好,同时也很方便。

synchronized 是内置锁(Intrinsic Locking),提供了互斥语义和可见性,当一个线程已经获取当前锁锁时,其他试图获取锁的线程只能等待或者被阻塞在那里。即就是对于某个锁来说,任意时刻只能有一个线程可以获得该锁。因此,synchronized 实现同步的语义是互斥锁(Mutex)。在Java 5以前,synchronized 是仅有的同步手段。

Java通过synchronized指定同步代码块,从而能在指定代码块中避免数据竞争问题。需要明确一点的就是,synchronized只能作用在方法(Method)上,即就是对方法进行声明实际是指定一个对应的同步代码块范围,从而指定一个对应的锁对象。同一个时刻只有一个线程能进入锁中,其他线程必须等待锁里面的线程出来之后才能依次进入。在数据竞争的低竞争场景下,synchronized的性能表现比较高效。

既然synchronized是作用在方法上,但是不同的使用方式会导致不一样的作用范围。可以通过诺修饰不同的对象来实现锁的作用范围或者说限定锁的细节控制粒度。synchronized实际大致上可以分为4种不同的作用方式,分别是作用在对象方法上,作用在类静态方法上,作用在对象方法里面,作用在类静态方法里面等。一般来说:

  1. 作用在对象方法上:表示是synchronized来描述对象的方法,表示该对象的方法具有同步性。主要在面向对象编程(OOP)中,定义了类之后会通过new关键字来实例化对象,而synchronized来描述对象的方法,这个作用范围就在对象上,对象(Object)充当了锁。需要注意的是,类是可以多实例化多个对象的,因此每个实例化的对象都是一个锁,即就是每个锁的范围都是对于自己的对象来说的。比如,在一个类里面synchronized修饰了2个非静态方法,一个是非静态方法(作用在对象方法里面),一个是非静态方法(无修饰会导致线程安全问题),两个线程之间产生互斥。
  2. 作用在类静态方法上:表示是synchronized来描述类的静态方法,表示该静态方法具有同步性。作用在对象上即就是以对象(Object)为锁,而作用在静态方法上则是以类(Class)为锁。但是某一个类本身也是一个对象,JVM就是使用这个对象作为模板去生成该类的对象的。需要知道的是,作用在对象上与作用在静态方法上的锁是不相同的。比如,在一个类里面synchronized修饰了2个方法,一个是非静态方法,一个是静态方法,不存在线程安全问题,两个线程之间不产生互斥。
  3. 作用在对象方法里面:表示是synchronized来描述方法内部的某块逻辑,表示某块逻辑具有同步性。一般使用synchronized(this){xxxx}形式来指定锁对象。在实际使用过程中,同步块不要求包含整个方法的所有代码,可以是方法内的任意代码块。比如,在一个类里面synchronized修饰了2个方法,一个是非静态方法(作用在对象方法里面),一个是非静态方法(作用在对象方法上),不存在线程安全问题,两个方法共用一个锁。
  4. 作用在类静态方法里面:表示是synchronized来描述静态方法内部的某块逻辑,表示某块逻辑具有同步性。一般使用synchronized(xxx.class){xxxx}形式来指定锁对象。比如,在一个类里面synchronized修饰了2个静态方法,一个是静态方法(作用在类静态方法里面),一个是静态方法(作用在类静态方法上),不存在线程安全问题,两个方法共用一个对象为锁,两个线程之间产生互斥。

同时,我们需要知道synchronized 底层如何实现?synchronized 代码块是由一对monitorenter/monitorexit 指令实现的,Monitor 对象是同步的基本实现单元。在 Java 6 之前,Monitor 的实现完全是依靠操作系统内部的互斥锁,因为需要进行用户态到内核态的切换,所以同步操作是一个无差别的重量级操作。现代的(Oracle)JDK 中,JVM 对此进行了大刀阔斧地改进,提供了三种不同的 Monitor 实现,也就是常说的三种不同的锁:偏斜锁(Biased Locking)、轻量级锁和重量级锁,大大改进了其性能。

所谓锁的升级、降级,就是 JVM 优化 synchronized 运行的机制,当 JVM 检测到不同的竞争状况时,会自动切换到适合的锁实现,这种切换就是锁的升级、降级。当没有竞争出现时,默认会使用偏斜锁。JVM 会利用 CAS 操作(compare and swap),在对象头上的 Mark Word 部分设置线程 ID,以表示这个对象偏向于当前线程,所以并不涉及真正的互斥锁。

这样做的假设是基于在很多应用场景中,大部分对象生命周期中最多会被一个线程锁定,使用偏斜锁可以降低无竞争开销。如果有另外的线程试图锁定某个已经被偏斜过的对象,JVM 就需要撤销(revoke)偏斜锁,并切换到轻量级锁实现。

轻量级锁依赖 CAS 操作 Mark Word 来试图获取锁,如果重试成功,就使用普通的轻量级锁;否则,进一步升级为重量级锁。我们需要注意的是,有观点认为 Java 不会进行锁降级。实际上,锁降级确实是会发生的,当 JVM 进入安全点(SafePoint)的时候,会检查是否有闲置的 Monitor,然后试图进行降级。

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