锁的征途，从理解 synchronized 的锁升级开始
2023-09-22 04:40:50
深入浅出，解锁 Java 并发中的锁升级策略
在 Java 并发编程中，锁是维持代码安全和高效执行的关键。其中，synchronized 作为 Java 中最常用的同步锁机制，通过确保对共享资源的互斥访问，避免了数据不一致的发生。随着 Java 版本的不断迭代，synchronized 也不断得到优化，其中尤以锁升级为代表。
从重量级锁到轻量级锁：性能的飞跃
在 Java 1.6 之前，synchronized 仅支持重量级锁。重量级锁基于操作系统原语实现，需要在用户态和内核态之间切换，开销较大。为解决这一性能瓶颈，Java 1.6 引入了轻量级锁。轻量级锁基于 CAS（Compare-And-Swap）操作实现，仅在用户态下运行，开销远低于重量级锁。
锁升级：根据竞争情况动态调整锁类型
为了进一步提升性能，Java 1.6 及更高版本实现了锁升级机制。锁升级是指 synchronized 根据锁竞争情况，动态地调整锁类型。当锁竞争不激烈时，synchronized 使用轻量级锁；当锁竞争激烈时，synchronized 会将轻量级锁升级为重量级锁。这种机制有效地兼顾了性能和安全性。
除锁升级之外的优化技术
除了锁升级，synchronized 还支持多种优化技术，包括自适应自旋锁、锁消除和锁粗化。
- 自适应自旋锁： 当锁被占用时，自旋锁会让线程等待一段时间，而不是立即阻塞。如果锁在自旋期间释放，线程将直接获取锁，避免了不必要的阻塞。
- 锁消除： 当编译器确定某个锁不会被多个线程同时持有时，会自动消除该锁，减少不必要的锁开销。
- 锁粗化： 当多个锁保护同一个共享资源时，将这些锁合并成一个锁，减少锁竞争，提高性能。
代码示例：锁升级在实践中
public class LockUpgradeExample {
private int counter = 0;
public synchronized void incrementCounter() {
counter++;
}
public static void main(String[] args) {
LockUpgradeExample example = new LockUpgradeExample();
// 模拟高并发场景
int numThreads = 100;
Thread[] threads = new Thread[numThreads];
for (int i = 0; i < numThreads; i++) {
threads[i] = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 10000; j++) {
example.incrementCounter();
}
});
}
// 启动线程
for (Thread thread : threads) {
thread.start();
}
// 等待线程完成
for (Thread thread : threads) {
try {
thread.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 打印最终结果
System.out.println("Counter: " + example.counter);
}
}
在该示例中，incrementCounter() 方法使用 synchronized 修饰，在高并发场景下，synchronized 会将轻量级锁升级为重量级锁，以保证数据的准确性。
结论：持续优化的并发利器
synchronized 作为 Java 并发编程中的核心机制，随着锁升级和一系列优化技术的引入，不断提升着 Java 的并发性能。这些优化技术使得 synchronized 能够在不同锁竞争场景下提供高效且稳定的同步解决方案，助力开发者构建可靠高效的并发程序。
常见问题解答
- 什么是锁升级？
锁升级是指synchronized根据锁竞争情况，动态地调整锁类型，以提高性能。 - 轻量级锁和重量级锁的区别是什么？
轻量级锁基于 CAS 操作，仅在用户态下运行，开销小；而重量级锁基于操作系统原语，需要在用户态和内核态之间切换，开销大。 - 自适应自旋锁是如何工作的？
自适应自旋锁在锁被占用时让线程等待一段时间，而不是立即阻塞，如果锁在自旋期间释放，线程将直接获取锁。 - 锁消除是如何实现的？
当编译器确定某个锁不会被多个线程同时持有时，会自动消除该锁，减少不必要的锁开销。 - 锁粗化有什么好处？
锁粗化将多个保护同一共享资源的锁合并成一个锁，减少锁竞争，提高性能。
