synchronized底层原理与锁升级机制详解
本文深入探讨Java `synchronized`关键字的底层原理及锁升级机制。通过代码示例和运行结果分析,详细讲解`synchronized`基于HotSpot虚拟机监视器锁(Monitor)的实现,以及其锁升级过程:从无锁状态到偏向锁、轻量级锁,最终到重量级锁的演变。文章阐述了Mark Word在不同锁状态下的变化,并分析了现代JVM中偏向锁的默认关闭对锁升级的影响,帮助开发者理解`synchronized`的性能特点及优化策略,从而更好地应用于多线程编程。

Java synchronized:底层原理与锁升级机制详解
synchronized是Java多线程编程中常用的同步机制,其底层实现和锁升级过程一直备受关注。本文通过代码示例,深入剖析synchronized的底层原理以及锁的升级路径:无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。
代码示例与运行结果分析
以下Java代码演示了synchronized锁的升级过程:
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread.sleep(5000);
Object obj = new Object();
System.out.println("初始状态 =====================" + "\n" + ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
new Thread(() -> {
synchronized (obj) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取锁执行中。。。\n"
+ ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
}
}, "Thread-A").start();
Thread.sleep(1000);
new Thread(() -> {
synchronized (obj) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取锁执行中。。。\n"
+ ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
}
}, "Thread-B").start();
Thread.sleep(5000);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
}
运行结果(可能因JVM版本而异): 结果将显示对象头Mark Word在不同线程访问时的状态变化,展示了锁的升级过程。 由于偏向锁在现代JVM中通常默认关闭,你可能观察到直接从无锁状态升级到轻量级锁的状态变化。
synchronized底层机制与锁升级
synchronized基于HotSpot虚拟机中的监视器锁(Monitor)实现,依赖对象头中的Mark Word和操作系统互斥锁(Mutex Lock)。Mark Word存储对象的运行时数据,包括锁状态。
1. 无锁状态: 对象初始状态,Mark Word存储哈希码等信息。
2. 偏向锁状态: 只有一个线程访问同步块时,JVM会进行偏向锁优化,Mark Word记录线程ID。 这减少了不必要的CAS操作,提升性能。 (现代JVM中通常默认关闭)
3. 轻量级锁状态: 当第二个线程尝试获取锁时,如果已存在偏向锁(或偏向锁已失效),则升级为轻量级锁。 线程在栈帧中创建锁记录,使用CAS操作尝试将Mark Word替换为指向锁记录的指针。成功则获取锁,失败则升级为重量级锁。
4. 重量级锁状态: 轻量级锁竞争失败(CAS操作失败),锁升级为重量级锁。 线程阻塞,依赖操作系统Mutex Lock实现同步,性能开销较大。
结果分析与总结
代码示例中,锁状态会经历不同的阶段,这体现了synchronized的锁升级机制。 需要注意的是,由于JVM优化策略,偏向锁可能被禁用,直接从无锁状态升级到轻量级锁。 理解synchronized的锁升级机制,有助于开发者更有效地利用这一同步工具,并根据实际情况选择合适的锁策略。 现代JVM的优化策略使得synchronized在许多情况下具有较高的性能。
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