2023.10.28 关于 synchronized 原理

目录

synchronized 特性

synchronized 优化机制

锁升级（锁膨胀）

其他优化机制

锁消除

锁粗化

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synchronized 特性

• 开始时是乐观锁，如果锁冲突频繁，就转为悲观锁
• 开始是轻量级锁，如果锁被持有的时间较长，就转化成重量级锁
• 实现轻量级锁的时候大概率用到的自旋锁策略
• 是一个不公平锁
• 是一种可重入锁
• 不是读写锁

synchronized 优化机制

锁升级（锁膨胀）

• JVM 将 synchronized 分为以下四个状态，会根据情况，依次进行升级

1. 无锁
2. 偏向锁
3. 轻量级锁
4. 重量级锁

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无锁状态

• 即代码还未执行到加锁的代码块中，该状态称为无锁状态

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偏向锁状态

• 偏向锁的获取和释放操作开销非常低，几乎可以忽略不记，因为它不需要进行线程间的竞争和同步
• 当一个线程第一次尝试获取锁时，会将锁的标记设置为偏向锁，并将线程ID 记录在锁的元数据中
• 当同一个线程再次尝试获取锁时，无需竞争，直接获取到锁，不需要进行任何同步操作
• 如果在整个使用锁的过程中，都没有出现锁竞争，那在 synchronized 执行完之后，取消偏向锁即可
• 如果期间另一个线程尝试获取锁，偏向锁会自动撤销，升级为真正的加锁状态，从而另一个线程也就只能阻塞等待了

注意

• 偏向锁的使用是 JVM 自动进行的，开发人员无需显式地使用偏向锁
• JVM 会根据锁的竞争情况自动选择使用偏向锁、轻量级锁、重量级锁，以优化锁的性能和吞吐量

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轻量级锁状态

• 当 synchronized 发生锁竞争的时候，就会从偏向锁，升级成轻量级锁
• 此时 synchronized 相当于通过 CAS 操作，以不断自旋的方式来进行加锁
• 如果别人很快就释放锁了，自旋是划算的，但是如果迟迟拿不到锁，一直自旋显然是不划算的，因为会长期占用的 CPU 资源，造成性能损失

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重量级锁状态

• 当然 synchronized 自旋不是无休止的自旋，自旋到一定程度之后，就会再次升级成 重量级锁（挂起等待锁）
• 如果线程进行了重量级锁的加锁，并且发生锁竞争，此时线程就会被放到阻塞队列中，暂时不参与 CPU 调度了
• 然后直到锁被释放，这个线程才有机会被调度到，并且有机会获取到锁
• 一旦 线程被切换出 CPU，此时就会变得比较低效了

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注意：

• 在 JVM 主流实现中，只有锁升级，没有锁降级

其他优化机制

锁消除

• 编译器智能的判定，看当前的代码是否真的要加锁
• 如果这个场景不需要加锁，程序员也加了，就自动把锁给干掉

实例理解

• StringBuffer 中的关键方法都带有 synchronized 
• 如果在单线程中使用 StringBuffer，synchronized 加了也白加，此时编译器就会直接把这些加锁操作消除掉了

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锁粗化

锁的粒度

• synchronized 包含的代码越多，粒度就越粗
• 包含的代码越少，粒度就越细

通常理解

• 一般情况下，认为锁的粒度细一点是比较好的
• 加锁部分的代码，是不能并发执行的
• 锁的粒度越细能并发的代码就越多，反之越少
• 但有些情况下，锁的粒度粗一些反而更好

• 如上图，这里的间隙非常小，就算并发了，也没啥太大效果
• 然而每次加锁都是带有开销的
• 此时并发节省的时间，反而不如加锁的开销大
• 所以我们不如将其转变为直接加一把大锁

• 上述过程就相当于锁粗化