【并发编程】synchronized 的底层原理

在Java中，synchronized关键字用于在多个线程之间确保共享资源的同步访问。其背后的实现涉及复杂的锁优化机制，如偏向锁、轻量级锁和重量级锁（也称作膨胀锁）。我们将简要介绍这些概念及其底层实现。

锁的优化过程

Java虚拟机对锁的实现进行了许多优化，以提高性能。主要有以下几种锁状态：

1. 无锁状态：

   • 当对象未被任何线程锁定时，处于无锁状态。

2. 偏向锁：

   • 偏向锁的设计目的是减少同一个线程多次获得锁的代价。
   • 当一个线程访问同步块并获取锁时，锁会记录这个线程ID，并处于偏向锁状态。
   • 如果该线程再次进入这个同步块，无需进行同步操作，只需检查偏向锁的标记即可。
   • 如果另一个线程尝试获取此锁，则偏向锁会被撤销，并根据情况升级为轻量级锁或重量级锁。

3. 轻量级锁：

   • 轻量级锁在偏向锁被多个线程访问时，通过自旋锁的方式进行多线程竞争。
   • 线程在进入同步块时，如果对象处于无锁状态，会在当前线程栈帧中创建一个锁记录拷贝，然后尝试用CAS操作把对象头中的Mark Word更新为指向锁记录的指针。
   • 如果轻量级CAS失败，就表明其他线程竞争锁，并可能膨胀为重量级锁。

• JVM提供了一些参数用于控制锁的行为，例如：
  • -XX:BiasedLockingStartupDelay：偏向锁启动延迟时间，可通过设置减少或延迟偏向锁的使用，从而可能影响锁升级。
  • -XX:-UseBiasedLocking：禁用偏向锁，如果禁用，程序在启动时锁会直接进入轻量级锁状态，可能更快膨胀为重量级锁。
  • -XX:PreBlockSpin：设置自旋次数，影响轻量级锁膨胀为重量级锁的策略。

1. 重量级锁（膨胀锁）：

   • 当锁争用激烈时（例如，自旋的次数超过设定阈值），轻量级锁会膨胀成重量级锁。
   • 重量级锁使用操作系统的互斥量（mutex）来实现线程挂起和唤醒，从而确保线程的互斥访问。

synchronized的底层原理

synchronized的实现依赖于对象头中的Mark Word。在32位JVM中，Mark Word通常占用32位，而在64位JVM中则占用64位。Mark Word用于存储锁标识和状态信息，如哈希码、GC分代年龄、锁状态等。

• 加锁：当进入一个同步块或者同步方法时，线程会尝试使用CAS操作修改对象头中的Mark Word来获取锁。

• 解锁：离开同步块或方法时，线程会通过CAS操作释放锁。如果锁已经膨胀为重量级锁，解锁则涉及操作系统层面的互斥量解锁操作。