揭秘synchronized锁的升级之路，引领并发编程巅峰
2023-11-29 15:22:51
Synchronized锁的瓶颈：理解锁争用和锁持有时间
引言
在多线程编程中，协调对共享资源的访问至关重要。Java 中的 synchronized 锁是一种内置机制，用于保证多线程访问共享资源时的原子性和一致性。然而，在高并发场景下，synchronized 锁可能会成为性能瓶颈。本文将深入探讨 synchronized 锁的瓶颈，并介绍 Java 提供的 synchronized 锁升级机制，以解决这些问题。
Synchronized锁的瓶颈
锁粒度过粗
Synchronized 锁只能对整个对象加锁。这意味着，即使只访问对象的一部分，整个对象也会被锁定。这可能会导致锁争用，即多个线程同时争夺同一个锁，从而降低并发性能。
锁持有时间过长
一旦一个线程获取了 synchronized 锁，其他线程在该线程释放锁之前都无法访问该锁保护的资源。这可能会导致线程阻塞，进而影响系统吞吐量。
Synchronized锁升级机制
为了解决 synchronized 锁的性能瓶颈，Java 提供了 synchronized 锁升级机制。该机制可以根据锁的竞争情况，将 synchronized 锁升级为更轻量级的锁，从而减少锁争用，提高并发性能。
锁升级阶段
Synchronized 锁升级机制主要分为三个阶段：
1. 无锁阶段
当锁没有被任何线程持有时，处于无锁阶段。此时，线程可以无等待地访问锁保护的资源。
2. 偏向锁阶段
当一个线程第一次获取锁时，锁将进入偏向锁阶段。在偏向锁阶段，锁会记录下获取锁的线程 ID，如果后续只有这个线程访问锁保护的资源，则该线程可以直接获取锁，而无需进行锁竞争。
3. 轻量级锁阶段
如果有多个线程尝试获取锁，则锁将进入轻量级锁阶段。在轻量级锁阶段，锁会记录下所有尝试获取锁的线程 ID。如果只有一个线程持有锁，则该线程可以直接获取锁，而无需进行锁竞争。
Synchronized锁升级的优点
Synchronized 锁升级机制具有以下优点：
减少锁争用
Synchronized 锁升级机制可以根据锁的竞争情况，将 synchronized 锁升级为更轻量级的锁，从而减少锁争用，提高并发性能。
提高吞吐量
Synchronized 锁升级机制可以缩短锁的持有时间，从而提高系统吞吐量。
降低系统开销
Synchronized 锁升级机制可以减少锁争用和锁持有时间，从而降低系统开销。
Synchronized锁升级的使用场景
Synchronized 锁升级机制适用于以下场景：
锁竞争激烈的场景
如果锁经常被多个线程争夺，则可以使用 synchronized 锁升级机制来减少锁争用，提高并发性能。
锁持有时间较长的场景
如果锁被线程持有时间较长，则可以使用 synchronized 锁升级机制来缩短锁的持有时间，从而提高系统吞吐量。
系统开销较大的场景
如果系统开销较大，则可以使用 synchronized 锁升级机制来减少锁争用和锁持有时间，从而降低系统开销。
结论
Synchronized 锁升级机制是 Java 并发编程中的重要技术，可以有效减少锁争用，提高并发性能。掌握 synchronized 锁升级机制，可以帮助你构建高性能、高吞吐量、低开销的并发系统。
常见问题解答
1. 如何确定锁的竞争情况？
Java 提供了 java.util.concurrent.locks.LockSupport 类，该类提供了用于确定锁竞争情况的方法。
2. 偏向锁阶段是如何工作的？
在偏向锁阶段，锁会记录下获取锁的线程 ID。如果后续只有该线程访问锁保护的资源，则该线程可以直接获取锁，而无需进行锁竞争。
3. 轻量级锁阶段是如何工作的？
在轻量级锁阶段，锁会记录下所有尝试获取锁的线程 ID。如果只有一个线程持有锁，则该线程可以直接获取锁，而无需进行锁竞争。
4. Synchronized 锁升级机制会带来什么开销？
Synchronized 锁升级机制会引入一些额外的开销，例如记录线程 ID 和更新锁状态。但是，这些开销通常很小，而且可以被减少锁争用和锁持有时间带来的性能提升所抵消。
5. 什么时候应该使用 synchronized 锁升级机制？
当锁竞争激烈、锁持有时间较长或者系统开销较大时，可以使用 synchronized 锁升级机制来提高并发性能。
