深入剖析JVM锁升级：从synchronized到AQS

对象在内存中的内存布局

理解JVM锁升级机制的前提是对对象在内存中的布局有所了解。对象在内存中通常分为三个部分：

• 对象头 ：存储对象运行时的数据，包括哈希码、GC分代年龄等信息。
• 实例数据 ：存储对象本身的数据，即类中定义的字段。
• 对齐填充 ：用于保证对象的大小是8的倍数，提高内存访问效率。

synchronized和ReentrantLock的底层实现

synchronized是Java语言内置的锁机制，底层实现依赖于JVM实现。在HotSpot JVM中，synchronized使用了一种叫做“监视器锁”（Monitor）的机制来实现。Monitor是一个数据结构，包含一个对象引用、一个等待队列和一个锁计数器。当一个线程想要获取锁时，它首先会尝试获取Monitor的锁计数器。如果锁计数器为0，则表示锁是可用的，线程可以获取锁并执行同步代码块。如果锁计数器不为0，则表示锁已被其他线程获取，当前线程会被阻塞并放入等待队列中。

ReentrantLock是Java提供的显式锁机制，底层实现与synchronized类似，同样依赖于Monitor。不过，ReentrantLock提供了更多的特性，例如可重入性和公平性。可重入性是指同一个线程可以多次获取同一把锁，而公平性是指锁的获取顺序与线程请求锁的顺序一致。

AQS底层为何采用CAS+volatile

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发包中用于构建锁和同步器的框架。AQS底层采用CAS（Compare-And-Swap）+volatile实现锁的同步。CAS是一种原子操作，可以确保多个线程并发访问共享变量时不会出现数据不一致的情况。volatile可以保证多个线程之间共享变量的可见性，即一个线程对共享变量的修改可以立即被其他线程看到。

锁的四种状态及锁升级过程

锁在JVM中可以处于四种状态：

• 无锁状态 ：锁未被任何线程持有。
• 偏向锁状态 ：锁被一个线程持有，并且一段时间内该线程一直持有该锁。
• 轻量级锁状态 ：锁被一个线程持有，但该线程可能在不久的将来释放锁。
• 重量级锁状态 ：锁被多个线程竞争，JVM需要使用更复杂的数据结构来管理锁的状态。

锁升级是指锁从一种状态升级到另一种状态的过程。锁升级通常发生在以下两种情况下：

• 竞争加剧 ：当多个线程同时争用一把锁时，锁会从偏向锁状态或轻量级锁状态升级到重量级锁状态。
• 锁持有时间过长 ：当一个线程持有锁的时间过长时，锁会从偏向锁状态升级到轻量级锁状态或重量级锁状态。

锁升级可以提高锁的性能，因为偏向锁和轻量级锁比重量级锁的开销更小。然而，锁升级也可能导致性能下降，因为锁升级过程本身需要消耗时间。因此，在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的锁机制。

结语

JVM锁升级机制是并发编程中的一个重要概念，掌握锁升级的原理和过程对于提升并发编程能力非常有帮助。本文详细介绍了synchronized和ReentrantLock的底层实现、AQS底层为何采用CAS+volatile，以及锁的四种状态及锁升级过程。希望这些知识能够对读者有所帮助。