Synchronized锁的实现原理

synchronized 是 Java 中的一个关键字，用于实现线程同步。它可以确保多个线程在访问共享资源时，同一时间只有一个线程能够执行特定的代码块或方法。synchronized 的实现原理主要依赖于 JVM 的监视器锁（monitor lock）机制。

以下是 synchronized 锁的实现原理：

1. 监视器锁（Monitor Lock）

每个 Java 对象都有一个与之关联的监视器锁。这个锁是一个互斥锁，意味着同一时间只有一个线程可以持有该锁。

2. 锁的状态

监视器锁有三种状态：

• 无锁状态：对象刚被创建时，没有线程持有该对象的锁。
• 偏向锁：当第一个线程访问同步代码块时，JVM 会将对象头中的线程 ID 设置为该线程的 ID，表示该线程偏向于持有这个锁。如果后续没有竞争，该线程再次访问同步代码块时可以直接进入，无需进行同步操作。
• 轻量级锁：当第二个线程尝试获取锁时，如果第一个线程仍然持有锁，JVM 会将第一个线程的栈帧中的锁记录复制到对象头中，并将对象头中的线程 ID 修改为第二个线程的 ID。这样，两个线程都在自己的栈帧中操作锁记录，避免了进入操作系统层面的线程阻塞和唤醒，从而提高了性能。
• 重量级锁：当多个线程竞争同一个锁时，轻量级锁会升级为重量级锁。此时，线程会被阻塞并放入等待队列中，直到锁被释放。重量级锁涉及到操作系统层面的线程调度，因此性能较低。

3. 锁的获取和释放

• 获取锁：线程在进入同步代码块或方法时，会尝试获取对象的监视器锁。如果锁是无锁状态或偏向锁，并且当前线程是第一个访问该锁的线程，则可以直接获取锁。如果是轻量级锁，线程会尝试通过自旋等待获取锁。如果自旋等待失败，则会升级为重量级锁。
• 释放锁：线程在退出同步代码块或方法时，会释放对象的监视器锁。此时，锁的状态会根据竞争情况恢复到无锁状态、偏向锁或轻量级锁。

4. 锁的公平性

synchronized 锁默认是非公平的，即线程获取锁的顺序不一定是按照请求锁的顺序。如果需要公平锁，可以使用 ReentrantLock 类，并设置其公平性参数为 true。

5. 锁的优化

JVM 对 synchronized 锁进行了多种优化，例如：

• 锁消除：如果编译器在运行时发现某个同步块实际上不会被多个线程访问，则会消除这个同步块。
• 锁粗化：如果编译器在运行时发现一系列连续的同步块，它们访问的是同一个锁，则会将这些同步块合并为一个更大的同步块。

通过这些机制，synchronized 锁能够在保证线程安全的同时，尽可能地提高性能。