Java多线程编程中`synchronized`锁升级的原理及实例解析
1. 引言
在多线程编程中，我们经常会使用synchronized关键字来实现线程的同步。synchronized关键字提供了一种简单而有效的方式来保护共享资源，防止多个线程同时访问，从而避免数据竞争和内存不一致的问题。但是，synchronized关键字在不同的情况下采用了不同的锁升级策略，以提高并发性能。本博客将深入探讨synchronized锁升级的原理。
2. synchronized关键字概述
synchronized关键字是Java语言提供的一种同步机制，用于实现对共享资源的互斥访问。它可以修饰方法或者代码块，用于标识一段代码需要以原子方式执行。在使用synchronized关键字时，实际上是在隐式地使用锁来保护共享资源。当一个线程访问一个被synchronized关键字修饰的方法或者代码块时，它将自动获取锁，其他线程将会被阻塞，直到锁被释放。
3. synchronized锁的种类
在深入理解synchronized锁升级的原理之前，我们先来了解一下synchronized锁的种类。synchronized锁在不同的情况下会升级为不同的锁。
3.1 偏向锁
偏向锁是一种针对无竞争情况下的锁升级策略。当一个线程访问一个同步块时，它会尝试获取锁。如果此时锁是无竞争的，即没有其他线程在访问这个同步块，那么当前线程就会称为锁的拥有者，并将锁的状态设置为偏向锁。当该线程再次访问同步块时，无需进行额外的加锁操作，从而提高了性能。
偏向锁的主要作用是在无竞争的情况下提高单线程的性能。但是，一旦有其他线程尝试获取锁，偏向锁就会升级为轻量级锁。
3.2 轻量级锁
轻量级锁是针对多个线程交替访问同一个同步块的情况进行优化的锁升级策略。当一个线程尝试获取一个轻量级锁时，它会把锁的对象头复制到栈帧中的锁记录（Lock Record）中，并尝试使用CAS（Compare and Swap）操作将锁的对象头替换为指向锁记录的指针。如果CAS操作成功，当前线程就获得了锁，继续执行同步块中的代码。如果CAS操作失败，表示有其他线程竞争锁，则当前线程会进行自旋等待，直到获取到锁或者自旋次数达到一定阈值。
轻量级锁的主要作用是在多线程交替访问同一个同步块的情况下减少线程的上下文切换，提高性能。但是，如果自旋等待时间过长或者自旋次数达到阈值，轻量级锁就会升级为重量级锁。
3.3 重量级锁
重量级锁是针对多个线程同时访问同一个同步块的情况进行优化的锁升级策略。重量级锁使用操作系统的互斥量（Mutex）来实现线程的阻塞和唤醒。当一个线程尝试获取一个重量级锁时，它会进入阻塞状态，直到锁被释放。当锁的拥有者释放锁时，将会通知等待的线程进行竞争。
重量级锁通过操作系统的互斥量来实现线程的阻塞和唤醒，保证了线程的公平性和可靠性。但是，由于涉及到用户态与内核态的切换，重量级锁的性能相对较低。
4. synchronized锁升级的原理
synchronized锁升级的原理主要涉及到偏向锁、轻量级锁和重量级锁之间的相互转换。
4.1 偏向锁升级为轻量级锁
当一个线程尝试获取一个偏向锁时，如果这个锁对象的标记为偏向锁，并且锁拥有者是当前线程，则可以直接获取锁，不需要进行加锁操作。
但是，当有其他线程尝试获取这个锁时，偏向锁将会升级为轻量级锁。具体的升级过程如下：
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当第二个线程尝试获取偏向锁失败时，虚拟机会检查该锁对象的Mark Word是否指向拥有偏向锁的线程。如果是，则说明多个线程存在竞争，需要进行锁升级。
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虚拟机会尝试使用CAS操作将锁对象的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果CAS操作成功，则表明当前线程获取到了轻量级锁。如果CAS操作失败，表示其他线程已经获取到了轻量级锁，当前线程需要进行自旋等待。
4.2 轻量级锁升级为重量级锁
当一个线程尝试获取一个轻量级锁时，如果这个锁对象的标记为轻量级锁，并且锁记录指向线程栈帧中的锁记录，并且CAS操作成功，则当前线程获取到了轻量级锁。
但是，当自旋等待时间过长或者自旋次数达到阈值时，轻量级锁将会升级为重量级锁。具体的升级过程如下：
- 当自旋等待时间过长或者自旋次数达到阈值时，轻量级锁将会升级为重量级锁。升级过程涉及到了操作系统的互斥量，会引入用户态到内核态的切换，性能相对较低。
4.3 锁的释放
当持有锁的线程执行完同步代码块后，将会释放锁。锁的释放过程涉及到对锁对象Mark Word的更新。
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如果锁的状态为无锁状态（无竞争的偏向锁或者没有竞争的轻量级锁），则直接将锁的状态设置为无锁状态。
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如果锁的状态为轻量级锁状态，并且当前线程是锁的拥有者，则直接将锁的状态设置为无锁状态。
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如果锁的状态为重量级锁状态，并且当前线程是锁的拥有者，则将操作系统的互斥量释放。
5. 示例代码
为了更好地理解synchronized锁升级的原理，我们来看一个示例代码。
public class SynchronizedExample {
private int count;
public synchronized void increment() {
count++;
}
public synchronized int getCount() {
return count;
}
}
在上面的示例代码中，我们定义了一个SynchronizedExample类，其中包含了一个共享变量count和两个同步方法increment和getCount。这两个同步方法使用synchronized关键字修饰，表示这两个方法需要以原子方式执行。
6. 测试代码
为了验证synchronized锁升级的原理，我们可以编写一段测试代码来观察锁的状态。
public class SynchronizedExampleTest {
public static void main(String[] args) {
SynchronizedExample example = new SynchronizedExample();
Runnable incrementTask = () -> {
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
example.increment();
}
};
Thread thread1 = new Thread(incrementTask);
Thread thread2 = new Thread(incrementTask);
thread1.start();
thread2.start();
try {
thread1.join();
thread2.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Count: " + example.getCount());
}
}
在上面的测试代码中，我们创建了两个线程，分别执行increment方法，在循环中将count变量加一。最后，我们打印出count的值，观察是否为预期结果。
7. 结果分析
当我们运行测试代码时，可以观察到以下现象：
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在运行的过程中，
count的值会随着线程的执行而不断增加。 -
由于
synchronized关键字的保护，两个线程无法同时访问increment方法，从而保证了count的自增操作是原子的。 -
最终输出的
count的值是2000000，与预期结果一致。
通过观察现象，我们可以确定synchronized锁升级的原理是有效的，能够确保多线程环境下的数据一致性和正确性。
8. 总结
通过本博客的介绍，我们对synchronized锁升级的原理有了更深入的了解。synchronized锁在不同的情况下会升级为偏向锁、轻量级锁和重量级锁，以提高并发性能。这种锁升级的原理涉及到偏向锁、轻量级锁和重量级锁之间的相互转换，通过锁的状态的更新来实现。
使用synchronized关键字来实现线程的同步是一种简单而有效的方式，但是在高并发的场景下，锁的性能可能会成为瓶颈。因此，在实际开发中需要结合具体的场景来选择合适的同步机制。
