深入剖析synchronized（二）：synchronized实现机制揭秘
2024-01-03 02:49:39
揭开 synchronized 的神秘面纱：深入解析多线程编程的基石
引言
在多线程编程的世界中，synchronized 扮演着至关重要的角色。它保证了共享资源的访问安全，确保了多线程程序的正确执行。本文将深入探讨 synchronized 的内部实现机制，揭开它的神秘面纱，助你深刻理解多线程编程的核心概念。
监视器模式：同步的基石
synchronized 的实现离不开监视器模式。监视器模式是一种经典的设计模式，用于协调多线程对共享资源的访问。它将共享数据封装在一个称为监视器的对象中，并通过提供对该监视器的独占访问来实现同步。只有持有监视器锁的线程才能访问共享数据，从而保证了数据的完整性和一致性。
Java 中的对象锁
在 Java 中，synchronized 与对象锁紧密相连。每个对象都拥有一个与之关联的监视器，而 synchronized 关键字的本质就是获取和释放该监视器锁。当一个线程执行 synchronized 块时，它将尝试获取对象锁；如果锁已被其他线程持有，则该线程将阻塞，直到锁被释放。
可重入锁：避免死锁
可重入锁是一种特殊的锁，它允许同一个线程多次获取同一把锁，而不会造成死锁。这意味着，一个线程可以嵌套调用 synchronized 块，而不会发生锁竞争。这对于避免死锁至关重要，因为死锁会让多个线程相互等待而无法继续执行。
公平锁：保证公平性
公平锁是一种锁，它按照线程请求锁的顺序来分配锁，先请求的线程先获得锁。这可以防止线程饥饿，即一个线程长期无法获得锁，从而影响程序的性能。在 Java 中，ReentrantLock 类提供了公平锁的支持。
偏向锁：提升效率
偏向锁是一种优化锁，它假设一个线程在大多数情况下都是独占访问共享资源的。当一个线程首次访问一个对象时，虚拟机会将该对象标记为偏向锁，并把该线程设置为偏向线程。在此之后，只要偏向线程访问该对象，虚拟机将不再检查锁，从而提升执行效率。
轻量级锁：减少竞争
轻量级锁是一种比偏向锁更轻量级的锁，它只在多线程竞争锁时才升级为重量级锁。当一个线程访问一个对象时，虚拟机会先尝试获取轻量级锁；如果轻量级锁已经被另一个线程持有，则虚拟机会将轻量级锁升级为重量级锁，并按照重量级锁的规则进行同步。
自旋锁：优化多核环境
自旋锁是一种特殊的锁，当一个线程无法获取锁时，它不会阻塞，而是不断循环尝试获取锁。这在多核环境中非常有效，因为线程可以在不同的 CPU 核上自旋，避免了线程切换的开销。在 Java 中，AtomicInteger 类提供了自旋锁的支持。
适应性自旋锁：平衡效率与公平性
适应性自旋锁是一种自旋锁的变体，它根据锁的竞争情况动态调整自旋时间。当锁竞争激烈时，自旋时间会缩短；当锁竞争不激烈时，自旋时间会延长。这可以平衡自旋锁的效率和公平性。
总结
synchronized 关键字的实现机制基于监视器模式，通过对象锁、可重入锁、公平锁、偏向锁、轻量级锁、自旋锁和适应性自旋锁等多种锁机制，保障了多线程程序的正确执行。这些锁机制针对不同的场景进行了优化，在提升效率的同时也保证了公平性，为 Java 并发编程提供了强大的支持。
常见问题解答
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synchronized 块中的代码是否总是以原子方式执行？
- 是的，synchronized 块中的代码是以原子方式执行的，这意味着要么全部执行，要么不执行，不会被其他线程打断。
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偏向锁 的最大好处是什么？
- 偏向锁的最大好处是提升了无竞争情况下的性能，因为它避免了对锁的检查。
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什么情况下使用 自旋锁 最有效？
- 自旋锁最有效于多核环境，其中线程可以在不同的 CPU 核上自旋，避免了线程切换的开销。
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适应性自旋锁 如何在效率和公平性之间取得平衡？
- 适应性自旋锁通过动态调整自旋时间来平衡效率和公平性。当锁竞争激烈时，自旋时间会缩短以提高效率；当锁竞争不激烈时，自旋时间会延长以保证公平性。
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如何避免死锁？
- 避免死锁的一种方法是使用可重入锁。可重入锁允许同一个线程多次获取同一把锁，而不会发生死锁。
