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synchronized锁的升级原理是什么,以及各个锁的状态对比

synchronized锁是Java中实现线程安全的基本机制,通过对象的监视器来实现线程间的同步。为了提高并发性能,Java引入了偏向锁、轻量级锁和重量级锁等升级机制。其中,偏向锁适用于同一线程多次获得锁的场景;轻量级锁适用于竞争不激烈的场景;重量级锁适用于竞争激烈的场景。

synchronized锁的升级原理是什么,以及各个锁的状态对比

一、synchronized锁的基本原理

synchronized是Java中用于实现线程安全的关键字,它可以应用于方法或代码块。当一个线程进入synchronized代码块时,它将获得一个锁,其他线程在尝试进入同步代码块时会被阻塞,直到持有锁的线程释放锁。

synchronized锁的基本原理是基于对象的监视器(monitor)。每个Java对象都有一个与之关联的监视器,这个监视器可以被一个线程持有。当一个线程获取到对象的监视器时,它就可以执行同步代码块,其他线程则需要等待。

二、synchronized锁的升级

尽管synchronized锁是简单易用的,但在高并发场景下性能可能不尽如人意。为了提高并发性能,Java引入了一些锁的升级机制,具体如下:

1、偏向锁(Biased Locking)

偏向锁是JDK 6中引入的一种优化机制。它的设计初衷是针对没有竞争的场景,假设在多数情况下,锁总是由同一线程多次获得的。在偏向锁状态下,当一个线程获取到锁后,会在对象头中记录下自己的线程ID。这样,下次该线程再次获取锁时,无需进行同步操作,可以直接进入临界区。

2、轻量级锁(Lightweight Locking)

轻量级锁是JDK 6中对synchronized锁的升级改进。它的目标是在多个线程交替执行同步块的情况下,减少传统的重量级锁的开销。轻量级锁的实现方式是通过CAS(Compare and Swap)操作来实现,将对象头中的一部分空间作为锁记录。当多个线程竞争同一锁时,会尝试使用CAS操作来获取锁,成功则进入临界区,失败则升级为重量级锁。

3、重量级锁(Heavyweight Locking)

重量级锁是synchronized锁的默认状态,也是最常见的状态。当多个线程竞争同一锁时,会进入重量级锁状态。在重量级锁状态下,竞争失败的线程会进入阻塞状态,被放入锁的等待队列中。只有持有锁的线程释放锁后,等待队列中的线程才有机会获取锁进入临界区。

三、各个锁的状态对比

下面对偏向锁、轻量级锁和重量级锁进行简要对比,以便更好地理解它们之间的差异。

1、偏向锁

  • 适用场景:适用于多数情况下锁总是由同一线程多次获得的场景。
  • 获取锁的代价:获取偏向锁的代价非常低,几乎没有额外开销。
  • 竞争情况:当其他线程尝试竞争偏向锁时,偏向锁会自动升级为轻量级锁。

2、轻量级锁

  • 适用场景:适用于多个线程交替执行同步块的情况,竞争不激烈的场景。
  • 获取锁的代价:获取轻量级锁的代价相对较低,需要进行CAS操作。
  • 竞争情况:当竞争激烈或者CAS操作失败时,轻量级锁会自动升级为重量级锁。

3、重量级锁

  • 适用场景:适用于竞争激烈的场景,多个线程频繁争夺同一个锁的情况。
  • 获取锁的代价:获取重量级锁的代价相对较高,需要进行线程阻塞和唤醒操作。
  • 竞争情况:当持有锁的线程释放锁后,等待队列中的线程按照FIFO顺序竞争锁的获取。

需要注意的是,锁的升级过程是自动进行的,开发者无需手动干预。JVM会根据锁的竞争情况自动切换锁的状态,以平衡性能和线程公平性。

在实际开发中,选择合适的锁取决于具体的应用场景和线程竞争情况。如果线程之间的竞争非常激烈,可以考虑使用其他更高级的锁机制,如并发包中提供的ReentrantLock、ReadWriteLock等,它们提供了更细粒度的控制和更高的并发性能。

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