synchronized 的实现原理以及锁优化

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引言

在多线程编程中，线程同步是一个至关重要的概念。Java 提供了多种实现线程同步的机制，其中最常用的之一就是 synchronized 关键字。本文将详细介绍 synchronized 的实现原理，并讨论在实际应用中如何进行锁优化，以提高程序的执行效率。

synchronized 的实现原理

synchronized 是 Java 提供的一种内置锁机制，用于确保在同一时刻只有一个线程可以执行同步代码块。它可以用来修饰方法或者代码块，实现对资源的互斥访问。

1. synchronized 方法和同步代码块

synchronized 关键字可以用在方法上，也可以用在代码块上。

同步方法：synchronized 可以修饰实例方法和静态方法。对于实例方法，锁是加在实例对象上的；对于静态方法，锁是加在类对象上的。

同步代码块：synchronized 还可以用来修饰代码块，这样可以更加精细地控制锁的粒度。

2. Monitor 和锁

synchronized 的底层是基于 Monitor 实现的。Monitor 是一种同步工具，它在 Java 中通过对象的 Mark Word 以及 Monitor 对象来实现。每个 Java 对象都有一个关联的 Monitor 对象，当一个线程进入同步块时，它会尝试获取该对象的 Monitor，如果获取成功，则进入同步块执行；否则，线程会被阻塞，直到 Monitor 被释放。

3. JVM 实现

在 JVM 中，synchronized 的实现是通过字节码指令来完成的。主要涉及两条指令：

monitorenter：当线程进入同步块时，执行该指令。

monitorexit：当线程退出同步块时，执行该指令。

当编译 Java 代码时，编译器会在同步方法或同步代码块的前后插入 monitorenter 和 monitorexit 指令。

4. Mark Word 和对象头

每个 Java 对象都有一个对象头，其中包含 Mark Word 和类型指针。Mark Word 中存储了对象的哈希码、GC 年龄、锁标志位等信息。当对象被锁定时，Mark Word 会保存锁的状态和持有锁的线程信息。

锁优化

为了提高程序的性能，Java 对锁进行了多种优化，包括偏向锁、轻量级锁和重量级锁。锁优化的目标是尽量减少线程同步带来的性能开销。

1. 偏向锁

偏向锁是 Java 6 引入的一种锁优化机制，旨在减少无竞争情况下的同步开销。当一个线程首次获取锁时，锁会偏向该线程，Mark Word 中会记录偏向线程的 ID。在之后的执行中，如果该线程再次请求锁，就不需要再进行 CAS 操作，从而减少了锁获取的开销。

偏向锁的获取过程：

首次获取锁时，将 Mark Word 的锁标志位设置为偏向模式，并记录偏向线程 ID。

之后相同线程获取锁时，直接通过检查 Mark Word 是否偏向当前线程来决定是否可以进入同步块。

偏向锁的撤销：

当另一个线程请求偏向锁时，锁会被撤销，并升级为轻量级锁。

偏向锁适用于无锁竞争的场景，但在高竞争场景下会带来额外的开销。在高竞争场景中，多个线程会同时争夺同一个锁资源，这种情况下，偏向锁容易被频繁撤销（撤销过程涉及到安全点暂停线程和锁膨胀），这会导致性能下降，因此，可以通过 JVM 参数 -XX:-UseBiasedLocking 来关闭偏向锁。

2. 轻量级锁

轻量级锁也是 Java 6 引入的一种锁优化机制，旨在减少竞争不激烈情况下的同步开销。当一个线程尝试获取一个没有被锁定的锁时，会使用 CAS 操作将对象的 Mark Word 替换为指向栈中锁记录的指针。

轻量级锁的获取过程：

线程在进入同步块时，会首先检查对象的 Mark Word 是否处于无锁状态。

如果是，则使用 CAS 操作尝试将 Mark Word 替换为指向栈中锁记录的指针。

如果 CAS 操作成功，则表示获取了轻量级锁。

轻量级锁的释放：

线程在退出同步块时，会将 Mark Word 恢复为无锁状态，或者指向下一个锁记录。

轻量级锁的适用场景是锁竞争不激烈的情况，如果有多个线程竞争同一个锁，轻量级锁会膨胀为重量级锁。

3. 重量级锁

当偏向锁和轻量级锁都无法满足需求时，锁会膨胀为重量级锁。重量级锁使用操作系统的互斥量来实现，线程在获取锁失败后会被阻塞，直到锁被释放。

重量级锁的获取过程：

线程在进入同步块时，首先尝试使用 CAS 操作获取锁。

如果失败，则进入阻塞状态，并加入到锁的等待队列中。

重量级锁的释放：

线程在退出同步块时，会唤醒等待队列中的一个线程。

重量级锁适用于高竞争的场景，但由于涉及操作系统的线程调度，其性能开销较大。

锁优化的实践

在实际应用中，合理使用和优化锁可以显著提高程序的并发性能。以下是一些常见的锁优化实践。

1. 锁分解

锁分解是指将一个大锁分解为多个小锁，从而减少锁的竞争。例如，在一个有多个独立资源的类中，可以为每个资源分别使用一个锁，而不是为整个类使用一个锁。

2. 锁粗化

锁粗化是指将多个连续的锁操作合并为一个锁操作，从而减少锁的获取和释放次数。例如，在一个循环中多次获取和释放同一个锁，可以将锁操作移到循环外部。

可以优化为：

3. 读写锁

读写锁是一种特殊的锁，它允许多个读线程同时访问资源，但在写线程访问资源时，所有读线程和其他写线程都被阻塞。Java 提供了 ReentrantReadWriteLock 类来实现读写锁。

4. 乐观锁

乐观锁是一种假设不会发生冲突的锁机制，通过版本号或时间戳来检测数据是否被修改。Java 中的 Atomic 类和 java.util.concurrent 包中的一些类使用了乐观锁机制。

总结

synchronized 作为 Java 提供的一种内置锁机制，通过 Monitor 实现线程同步，保证了资源的互斥访问。为了提高性能，Java 引入了偏向锁、轻量级锁和重量级锁，并通过锁分解、锁粗化、读写锁和乐观锁等优化策略，进一步减少锁竞争带来的开销。

在实际开发中，合理使用锁优化技术，可以显著提高程序的并发性能，降低锁竞争对系统资源的消耗。理解 synchronized 的实现原理和锁优化技术，对于编写高效的多线程程序具有重要意义。希望本文对你理解和应用 synchronized 及锁优化有所帮助。