java面试题-深入探讨Java中synchronized锁的升级原理及性能优化

在Java中，synchronized锁是实现多线程同步的重要机制。然而，为了提高性能，JVM对synchronized锁进行了升级，将锁分为无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁等级别。本文将深入讨论锁的升级原理，从而更好地理解在多线程环境下如何高效地使用synchronized锁。

1. 锁的级别概述

锁的级别从低到高分为：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。这种分级的设计是为了减少锁带来的性能开销，提高并发性能。

无锁： 多个线程可以同时访问和修改同一个资源，但只有一个线程能够修改成功，其他线程会重试直到成功。

偏向锁： 当对象的代码一直被同一线程执行时，该线程会获得偏向锁，减低获取锁带来的性能开销。

轻量级锁： 在偏向锁的基础上，当有第二个线程访问时，偏向锁升级为轻量级锁，线程通过自旋尝试获取锁，避免阻塞。

重量级锁： 多个线程等待同一个锁时，锁会升级为重量级锁，线程会阻塞等待锁的释放。

2. synchronized锁升级的原理

synchronized锁升级的过程是通过对象头中的threadid字段实现的。该字段用于记录持有锁的线程ID。

偏向锁： 第一次访问时，JVM让线程持有偏向锁，并将threadid设置为线程ID。再次访问时，判断threadid是否与线程ID一致，一致则直接使用对象，否则升级为轻量级锁。

轻量级锁： 在偏向锁的基础上，如果有第二个线程访问，通过自旋循环尝试获取锁。自旋过程中，如果成功获取锁，则继续执行；否则，根据自旋次数升级为重量级锁。

重量级锁： 当有多个线程等待同一个锁时，锁升级为重量级锁。此时，其他线程会阻塞等待锁的释放。

3. 优化技术

为了降低synchronized锁的性能开销，Java引入了多种优化技术：

自旋锁： 获取锁失败时，线程不会立即阻塞，而是通过自旋尝试获取锁。

适应性自旋锁： 根据线程在前一次获取锁的时间和成功获取锁的次数来动态调整自旋的次数。

锁消除： 当编译器检测到某个锁不可能被其他线程访问时，会进行锁的消除。

锁粗化： 连续的同步操作对同一对象加锁和解锁时，合并为一次操作，减少锁的竞争。

偏向锁： 当锁一直由同一线程访问时，该线程会获得偏向锁，避免重复获取锁的开销。

轻量级锁： 通过CAS操作来尝试获取锁，避免阻塞线程。