Java Synchronized锁升级原理及过程源码分析

Java Synchronized锁升级原理及过程源码分析

引言

在Java中，synchronized关键字是实现线程同步的重要机制。为了在多线程环境下保证数据的一致性和线程安全，synchronized提供了简单易用的锁机制。然而，随着并发量的增加，简单的锁机制可能会导致性能瓶颈。为了优化性能，JVM引入了锁升级的概念，即根据竞争情况动态调整锁的级别。本文将深入分析Java Synchronized锁升级的原理及过程，并结合源码进行详细解析。

1. Synchronized锁的基本概念

1.1 锁的类型

在Java中，synchronized锁可以分为以下几种类型：

• 偏向锁（Biased Locking）：适用于只有一个线程访问同步块的场景，减少无竞争情况下的锁开销。
• 轻量级锁（Lightweight Locking）：适用于多个线程交替访问同步块的场景，通过CAS操作避免线程阻塞。
• 重量级锁（Heavyweight Locking）：适用于多个线程竞争访问同步块的场景，通过操作系统级别的互斥量实现线程阻塞。

1.2 锁的升级过程

锁的升级过程是指从偏向锁到轻量级锁，再到重量级锁的逐步升级过程。JVM会根据线程竞争情况动态调整锁的级别，以优化性能。

2. 锁升级的原理

2.1 偏向锁

偏向锁的核心思想是：如果一个线程获得了锁，那么锁会偏向这个线程，后续该线程再次获取锁时不需要进行任何同步操作。偏向锁的目的是减少无竞争情况下的锁开销。

2.1.1 偏向锁的获取

当一个线程首次进入同步块时，JVM会检查对象头的Mark Word，如果发现没有偏向锁，则会尝试通过CAS操作将Mark Word设置为偏向锁状态，并记录线程ID。

2.1.2 偏向锁的撤销

如果另一个线程尝试获取偏向锁，JVM会撤销偏向锁，并将锁升级为轻量级锁。撤销偏向锁的过程需要暂停持有偏向锁的线程（即STW，Stop-The-World）。

2.2 轻量级锁

轻量级锁的核心思想是：通过CAS操作避免线程阻塞，适用于多个线程交替访问同步块的场景。

2.2.1 轻量级锁的获取

当一个线程尝试获取轻量级锁时，JVM会将对象头的Mark Word复制到线程栈中的锁记录（Lock Record）中，然后尝试通过CAS操作将对象头的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果CAS操作成功，则线程获取锁；如果失败，则说明有其他线程竞争锁，此时锁会升级为重量级锁。

2.2.2 轻量级锁的释放

当线程释放轻量级锁时，JVM会通过CAS操作将锁记录中的Mark Word还原到对象头中。如果CAS操作失败，则说明锁已经升级为重量级锁，此时需要释放重量级锁。

2.3 重量级锁

重量级锁的核心思想是：通过操作系统级别的互斥量（Mutex）实现线程阻塞，适用于多个线程竞争访问同步块的场景。

2.3.1 重量级锁的获取

当一个线程尝试获取重量级锁时，JVM会将对象头的Mark Word替换为指向重量级锁的指针，并将线程阻塞，直到锁被释放。

2.3.2 重量级锁的释放

当线程释放重量级锁时，JVM会唤醒等待锁的线程，并将对象头的Mark Word还原为无锁状态。

3. 锁升级的源码分析

3.1 偏向锁的源码分析

在HotSpot虚拟机中，偏向锁的实现主要位于biasedLocking.cpp文件中。以下是偏向锁获取和撤销的关键代码片段：

// 偏向锁获取
void ObjectSynchronizer::fast_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS) {
  if (UseBiasedLocking) {
    if (!SafepointSynchronize::is_at_safepoint()) {
      BiasedLocking::revoke_and_rebias(obj, false, THREAD);
    } else {
      BiasedLocking::revoke_at_safepoint(obj);
    }
  }
  // 轻量级锁获取
  slow_enter(obj, lock, THREAD);
}

// 偏向锁撤销
void BiasedLocking::revoke_and_rebias(Handle obj, bool attempt_rebias, TRAPS) {
  // 撤销偏向锁
  if (attempt_rebias) {
    // 尝试重新偏向
  } else {
    // 撤销偏向锁
  }
}

3.2 轻量级锁的源码分析

轻量级锁的实现主要位于interpreterRuntime.cpp文件中。以下是轻量级锁获取和释放的关键代码片段：

// 轻量级锁获取
void InterpreterRuntime::monitorenter(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem) {
  Handle h_obj(thread, elem->obj());
  if (UseBiasedLocking) {
    // 偏向锁处理
  }
  // 轻量级锁处理
  ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, elem->lock(), thread);
}

// 轻量级锁释放
void InterpreterRuntime::monitorexit(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem) {
  Handle h_obj(thread, elem->obj());
  ObjectSynchronizer::fast_exit(h_obj(), elem->lock(), thread);
}

3.3 重量级锁的源码分析

重量级锁的实现主要位于objectMonitor.cpp文件中。以下是重量级锁获取和释放的关键代码片段：

// 重量级锁获取
void ObjectMonitor::enter(TRAPS) {
  // 获取锁
  if (TryLock(Self) > 0) {
    // 成功获取锁
    return;
  }
  // 阻塞线程
  EnterI(THREAD);
}

// 重量级锁释放
void ObjectMonitor::exit(TRAPS) {
  // 释放锁
  if (TryRelease(Self) > 0) {
    // 成功释放锁
    return;
  }
  // 唤醒等待线程
  ExitEpilog(Self);
}

4. 锁升级的性能优化

锁升级的目的是在多线程环境下根据竞争情况动态调整锁的级别，以优化性能。偏向锁适用于无竞争场景，轻量级锁适用于低竞争场景，重量级锁适用于高竞争场景。通过锁升级，JVM能够在不同场景下选择最合适的锁机制，从而减少锁开销，提高并发性能。

5. 总结

Java Synchronized锁升级机制是JVM优化并发性能的重要手段。通过偏向锁、轻量级锁和重量级锁的动态升级，JVM能够在不同竞争场景下选择最合适的锁机制，从而减少锁开销，提高并发性能。本文通过源码分析详细介绍了锁升级的原理及过程，希望能够帮助读者深入理解Java Synchronized锁机制的工作原理。

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