深入剖析 Synchronized 原理和锁膨胀过程 (二)
2024-02-19 02:51:32
引言
在前一篇博文中，我们介绍了多线程的概念和 Synchronized 的使用。然而，仅仅掌握其用法是不够的。只有深入理解其底层实现，才能在开发过程中游刃有余。因此，本篇博文将深入探究 Synchronized 的实现原理和锁升级（膨胀）的过程。
Synchronized 的原理
Synchronized 是依赖于 Java 虚拟机 (JVM) 中的监视器 (Monitor) 实现的。监视器是一个对象，包含以下数据结构：
- 锁标志位： 用于表示锁的状态（是否被占用）。
- 进入数： 记录当前持有该锁的线程数量。
- 等待队列： 存储等待获取锁的线程。
当一个线程尝试获取锁时，它会首先检查锁标志位。如果锁是空闲的，则线程会直接获得锁，并将进入数加一。如果锁已被占用，则线程会被加入等待队列中。
当持有锁的线程释放锁时，它会将锁标志位重置为未锁定状态，并将进入数减一。如果等待队列中有线程，则会唤醒其中一个线程，允许它尝试获取锁。
锁膨胀过程
在 Java 中，锁可以经历以下几个阶段的膨胀：
1. 无锁： 当一个对象还没有被任何线程锁定时，它处于无锁状态。
2. 偏向锁： 当一个对象被同一个线程多次锁定时，JVM 可能会将该对象升级为偏向锁。偏向锁只允许拥有偏向锁的线程访问该对象，从而提高性能。
3. 轻量级锁： 如果偏向锁不适用于对象（例如，对象被多个线程访问），则对象会升级为轻量级锁。轻量级锁使用 CAS（比较并交换）指令来尝试获取锁，如果失败则会升级为重量级锁。
4. 重量级锁： 如果轻量级锁无法成功获取锁，则对象会升级为重量级锁。重量级锁使用互斥量来管理锁的访问，并允许多个线程同时等待获取锁。
何时会发生锁膨胀
锁膨胀通常发生在以下情况下：
- 当同一个线程多次访问同一个对象时（偏向锁）。
- 当多个线程频繁访问同一个对象时（轻量级锁）。
- 当对象被竞争激烈时（重量级锁）。
锁膨胀的影响
锁膨胀会对程序性能产生负面影响，因为：
- 偏向锁和轻量级锁的膨胀需要额外的 CPU 指令。
- 重量级锁会阻塞其他线程，导致等待时间延长。
避免锁膨胀
为了避免锁膨胀，我们可以采取以下措施：
- 尽量减少对象的锁定时间。
- 避免在循环或嵌套方法中使用 synchronized。
- 使用读写锁（ReentrantReadWriteLock）来管理读写操作。
- 使用原子变量（AtomicInteger、AtomicBoolean）来替换简单的锁操作。
总结
深入理解 Synchronized 的原理和锁膨胀过程对于高效的多线程编程至关重要。通过了解其底层机制，我们可以避免锁膨胀，从而提高程序性能。在下一篇博文中，我们将探讨锁优化的最佳实践，帮助你打造高性能的多线程应用程序。
