Synchronized 锁升级过程

前言

在Java中，synchronized 是一种内置锁机制，用于确保多个线程对共享资源的同步访问。从JDK 1.6开始，为了提高性能和减少锁竞争带来的开销，Java引入了锁升级的概念。锁升级的过程主要是从偏向锁开始，根据实际的竞争情况逐步升级为轻量级锁、重量级锁(无锁状态 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁)。
以下是详细的锁升级过程：

1. 无锁状态

• 初始状态：对象刚被创建时，没有任何线程竞争，处于无锁状态。

2. 偏向锁

• 目的：减少无竞争情况下的锁开销。
• 过程：
  • 当第一个线程访问同步块并尝试获取锁时，会在对象头的 Mark Word 中记录该线程的 ID，同时将偏向锁标志位设置为 1，表示对象处于偏向锁状态。
  • 此后，该线程再次进入同步块时，只需检查对象头的 Mark Word 中记录的线程 ID 是否与自己的 ID 一致，如果一致，则可以直接进入同步块，无需进行任何同步操作。
  • 如果有其他线程尝试获取该锁，说明存在锁竞争，偏向锁就会被撤销，升级为轻量级锁。撤销偏向锁需要在全局安全点（所有线程都停止执行字节码）进行，会带来一定的性能开销。
• 优点：在单线程重复获取锁的情况下，性能最优。

3. 轻量级锁

• 触发条件：当有另一个线程尝试获取已被偏向的锁时，偏向锁会升级为轻量级锁。
• 过程：
  • JVM会在当前线程的栈帧中创建一个锁记录（Lock Record），并将对象头中的标记复制到锁记录中。
  • 当线程第一次进入同步块时，会在栈帧中创建锁记录，并尝试使用 CAS 操作将对象头的 Mark Word 替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，对象头的 Mark Word 变为指向锁记录的指针，锁标志位设置为 00，表示对象处于轻量级锁状态。
  • 如果有其他线程也尝试获取该锁，CAS 操作会失败，此时当前线程会进行自旋等待锁的释放。自旋是指线程会在原地循环等待一段时间，而不是立即阻塞，因为在很多情况下，持有锁的线程很快就会释放锁。
  • 如果自旋次数达到一定阈值（可以通过参数 -XX:PreBlockSpin 调整）或者有多个线程同时竞争锁，轻量级锁就会升级为重量级锁。
• 优点：在多线程轻度竞争的情况下，避免了重量级锁的开销。

4. 重量级锁

• 触发条件：当轻量级锁竞争激烈，CAS操作多次失败时，锁会升级为重量级锁。
• 过程：
  • 当轻量级锁升级为重量级锁时，对象头的 Mark Word 会被替换为指向重量级锁的指针，锁标志位设置为 10。
  • 线程竞争重量级锁失败后，会被阻塞，进入等待队列，直到持有锁的线程释放锁后，操作系统会唤醒等待队列中的线程，让它们再次竞争锁。
• 优点：在高度竞争的情况下，重量级锁能有效管理线程的阻塞和唤醒。

锁升级路径

• 偏向锁 -> 轻量级锁：一旦检测到偏向锁存在竞争，即另一个线程尝试获取锁时，偏向锁将被撤销，并尝试转换为轻量级锁。
• 轻量级锁 -> 重量级锁：如果轻量级锁也面临激烈的竞争，不能有效处理并发请求时，锁将升级为重量级锁以保证线程安全。
  注意：锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级到重量级锁，但是这个过程是不可逆的。

总结

• 偏向锁：适用于单线程重复获取锁的场景。
• 轻量级锁：适用于多线程轻度竞争的场景。
• 重量级锁：适用于多线程高度竞争的场景。
  synchronized 锁升级的过程是一个逐步从低开销到高开销的过程，根据不同的场景自动选择合适的锁状态，从而在大多数情况下提高了锁的性能。在单线程频繁访问同步块的场景下，偏向锁可以减少锁竞争的开销；在多线程交替访问同步块的场景下，轻量级锁可以通过自旋避免线程的阻塞和唤醒，提高性能；而在多线程同时竞争锁的场景下，重量级锁可以保证线程的安全同步。