大厂面试真题-说说synchronized的锁升级过程

在Java中，synchronized关键字是实现线程同步的一种方式，但其性能受到锁开销的影响。为了减少锁带来的性能损失，Java虚拟机（JVM）设计了一套锁升级机制。这一机制使得锁可以从无锁状态逐渐升级至重量级锁，以根据竞争程度动态调整锁策略，达到最佳性能平衡。以下是synchronized锁升级的详细过程：

一、无锁状态

• 在对象创建之初，它处于无锁状态，没有任何锁标志位被设置。此时，对象可以被任何线程自由访问，因为没有线程试图获取锁。

二、偏向锁状态

• 当第一个线程尝试获取synchronized锁时，JVM会将对象头标记为偏向锁状态，并在对象头中记录获取锁的线程ID。
• 如果后续访问仍然是由这个线程发起的，它将无需进行额外的同步检查，即可直接访问对象，因为锁已经偏向于这个线程。这种优化减少了单一线程访问同一对象的开销。
• 然而，如果其他线程尝试访问这个同步块，偏向锁将被撤销，并进入轻量级锁状态。撤销时会有一定的开销，包括检查偏向锁标识、CAS操作尝试清除偏向锁等。

三、轻量级锁状态

• 当第二个线程尝试获取同一个对象的锁时，偏向锁会被撤销，对象变为轻量级锁状态。
• 轻量级锁使用了ThreadLocal（此处指JVM内部为每个线程维护的锁记录，而非java.lang.ThreadLocal类）变量来存储锁记录，而不是直接使用操作系统的互斥锁。
• 线程会在自己的栈帧中创建一个称为Lock Record的空间，用于存储锁的Mark Word的拷贝。然后通过CAS操作尝试将对象头的Mark Word替换为指向Lock Record的指针。
  • 如果成功，线程获得锁。
  • 如果失败，则说明存在竞争，线程将进入自旋状态，不断尝试CAS操作直到成功或达到自旋上限（JDK1.6前默认10次，之后采用自适应自旋，JVM自动调整）。
• 自旋锁是线程在获取锁的过程中，不会去阻塞线程，而是通过循环获取锁。这避免了立即进入重量级锁状态，从而减少了线程阻塞和上下文切换的开销。但需要注意的是，如果自旋次数过多仍然没有获取到锁，会消耗较多的CPU资源。

四、重量级锁状态

• 如果自旋超过一定次数（自旋阈值）仍未获得锁，轻量级锁将升级为重量级锁。
• 重量级锁涉及操作系统层面的互斥锁（如Linux的mutex），可能导致线程阻塞和上下文切换，从而增加了性能开销。
• 一旦升级为重量级锁，所有后续试图获取锁的线程都将被阻塞，直到锁被释放。被阻塞的线程会进入等待队列，而持有锁的线程执行完毕后，会唤醒队列中的下一个等待线程。

五、锁升级的特点

• 锁升级的过程是不可逆的。一旦升级到重量级锁，就不会再降级回轻量级锁或偏向锁。
• 锁升级是为了在不同的并发压力下优化锁的性能。在低竞争情况下，偏向锁和轻量级锁能够减少不必要的开销；而在高竞争情况下，重量级锁能够确保线程间的正确同步。

综上所述，synchronized的锁升级过程是一个从低开销到高开销、从非阻塞到阻塞的逐渐升级过程。这一机制旨在根据竞争程度动态调整锁策略，以达到最佳性能平衡。