解锁轻量级锁synchronized剖析

众所周知，synchronized是Java中一种内置的轻量级锁，用于保证多线程环境下的数据同步。它以其高效、易用等特点，深受开发者的喜爱。然而，synchronized的底层实现机制并不像我们想象的那么简单，它包含着许多巧妙的设计和优化。本文将深入剖析synchronized的加锁过程，揭开其神秘的面纱。

加锁过程

synchronized的加锁过程主要分为以下几个步骤：

1. 在线程栈中创建Monitor记录：每个线程栈中都会有一个Monitor记录，该记录存储着当前线程拥有的所有锁的信息。在加锁操作时，会首先检查当前线程是否已经拥有该锁的Monitor记录，如果已经拥有，则直接执行步骤3；否则，创建新的Monitor记录。
2. 原子化获取锁： Monitor记录中有一个属性为count，表示当前持有该锁的线程数量。在获取锁时，需要对count进行原子化的自增操作，从而保证只有一个线程能够获取到锁。
3. 自旋等待： 如果当前线程未获取到锁，则会进入自旋等待状态，不断轮询检查锁是否被释放，直到获取锁为止。自旋等待是一种轻量级的等待方式，可以避免线程进入系统调度，从而提高性能。
4. 阻塞等待： 如果自旋等待超过一定时间后，锁仍未被释放，则线程会进入阻塞等待状态，并释放当前CPU的使用权。当锁被释放后，线程会收到通知，重新进入自旋等待，直到获取锁为止。

解锁过程

解锁过程相对简单，主要步骤如下：

1. 原子化释放锁： 对Monitor记录中的count进行原子化的减1操作，表示释放一个锁。
2. 唤醒等待线程： 如果count减1后为0，则表示当前没有线程持有该锁，此时需要唤醒所有处于阻塞等待状态的线程。

优化手段

为了提高synchronized的性能，JVM对加锁过程做了许多优化：

1. 自旋锁： 在无竞争或低竞争场景下，使用自旋锁代替阻塞锁，避免线程进入系统调度，从而提高性能。
2. 偏向锁： 在某些情况下，如果一个锁总是被同一个线程访问，则JVM会将该锁优化为偏向锁，从而避免不必要的多线程竞争。
3. 轻量级锁： 在无竞争场景下，使用轻量级锁代替重量级锁，以减少获取锁的开销。

使用建议

synchronized虽然是一个功能强大的锁机制，但是在使用过程中也需要注意以下几点：

1. 粒度控制： 使用synchronized时，应该注意锁的粒度，避免不必要的多线程竞争，导致性能下降。
2. 死锁避免： synchronized不能解决死锁问题，所以在使用时需要注意死锁的可能性。
3. 可重入性： synchronized具有可重入性，即同一个线程可以对同一个锁进行重入，不会产生死锁。

总结

synchronized是Java中一个高效、易用的轻量级锁，其底层实现机制包含了自旋等待、原子化操作、偏向锁、轻量级锁等优化手段。在使用synchronized时，需要注意锁的粒度控制、死锁避免和可重入性等方面，才能充分发挥其性能优势。