剖析 Synchronized 锁升级：从偏向到重量级

在 Java 并发编程中，synchronized 是一个重量级的锁，但它并非生来如此。它有一个进化过程，从轻巧的偏向锁到沉重的重量级锁，这被称为锁升级。本文将深入探讨 synchronized 锁升级的底层原理。

锁升级的起源

synchronized 锁升级的本质是通过逐渐提升锁的开销来提高并发性能。当竞争不激烈时，偏向锁和轻量级锁开销低，可以提高性能。当竞争加剧时，重量级锁介入，以确保线程安全。

偏向锁

偏向锁是最轻量的锁，它假设线程对对象的访问具有局部性，即一个线程在一段时间内会一直访问同一个对象。偏向锁会记录当前线程的 ID，如果其他线程试图访问该对象，偏向锁会立即检查线程 ID 是否匹配。如果匹配，则直接让该线程获取锁；如果不匹配，则偏向锁会升级为轻量级锁。

轻量级锁

轻量级锁比偏向锁开销稍大，它通过使用一个名为 "锁记录" 的数据结构来实现。锁记录包含线程 ID、对象指针和其他元数据。当线程试图获取轻量级锁时，它会尝试将锁记录中的线程 ID 修改为自己的 ID。如果修改成功，则线程获取锁；如果修改失败，则轻量级锁会升级为重量级锁。

重量级锁

重量级锁是开销最大的锁，它通过使用一个监视器对象来实现。监视器对象包含一个队列，用于存储等待获取锁的线程。当线程试图获取重量级锁时，它会进入队列并等待。当锁释放时，队列中的第一个线程会获取锁。

锁升级的过程

锁升级的具体过程如下：

1. 偏向锁： 假设一个线程对对象具有局部性，偏向锁会记录该线程的 ID。
2. 轻量级锁： 如果其他线程试图访问该对象，偏向锁会升级为轻量级锁。轻量级锁通过修改锁记录中的线程 ID 来获取锁。
3. 重量级锁： 如果多个线程同时竞争获取轻量级锁，轻量级锁会升级为重量级锁。重量级锁通过使用监视器对象和队列来管理等待获取锁的线程。

何时发生锁升级

锁升级通常发生在以下情况下：

• 竞争激烈： 当多个线程同时争用同一对象时，轻量级锁会升级为重量级锁以确保线程安全。
• 对象的哈希冲突： 如果多个对象具有相同的哈希码，轻量级锁会升级为重量级锁以防止哈希冲突。
• 调用 wait() 或 notify()： 当一个线程调用 wait() 或 notify() 方法时，轻量级锁会升级为重量级锁以确保线程安全。

锁升级的好处

锁升级提供了以下好处：

• 提高性能： 在竞争不激烈的情况下，偏向锁和轻量级锁的开销较低，可以提高性能。
• 确保线程安全： 重量级锁可以确保线程安全，即使在竞争激烈的环境中也是如此。

结论

Synchronized 锁升级是一种重要的并发机制，它可以根据竞争情况动态调整锁的开销。通过理解锁升级的原理，开发者可以更好地利用 synchronized 锁来实现高效且线程安全的并发程序。