14 | Java虚拟机是怎么实现synchronized的？-深入拆解 Java 虚拟机

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### 章节 14 | Java虚拟机是怎么实现synchronized的？

在Java的世界中，`synchronized`关键字扮演着多线程并发控制的核心角色，它确保了同一时刻只有一个线程可以执行某个方法或代码块，从而避免了多线程环境下的数据不一致问题。Java虚拟机（JVM）通过一系列复杂的机制来实现`synchronized`的功能，这些机制既涉及底层的锁机制，也包含高级别的优化技术。本章节将深入剖析JVM是如何实现`synchronized`的，涵盖其基本原理、锁的类型、锁的膨胀与升级、以及相关的性能优化策略。

#### 1. synchronized的基本原理

`synchronized`关键字可以应用于方法或代码块上。当应用于方法时，它会自动作用于整个方法体；当应用于代码块时，它作用于括号内的代码。无论是哪种情况，`synchronized`都依赖于一个锁（Lock）来控制多线程的访问。

- **对象锁（Object Monitor）**：在JVM中，每个Java对象都可以关联一个监视器（Monitor），也可以被称为对象锁。当线程进入`synchronized`方法或代码块时，它会尝试获取该对象的锁。如果锁已被其他线程持有，则当前线程将阻塞，直到锁被释放。
- **类锁（Class Lock）**：对于静态`synchronized`方法，锁是与该类的Class对象相关联的。这意味着所有访问该静态`synchronized`方法的线程都将争夺同一个锁。

#### 2. 锁的类型与实现

JVM中`synchronized`的实现依赖于几种不同类型的锁，这些锁在性能和行为上各有特点。

- **偏向锁（Biased Locking）**：这是JVM在Java 6中引入的一种锁优化机制。它假设在大多数情况下，锁不会被多个线程同时竞争，因此当一个线程首次访问同步代码块并获取锁时，JVM会将其标记为偏向锁，并记录持有锁的线程ID。在后续访问中，只要该线程再次进入同步代码块，JVM就会直接放行，无需再次进行锁竞争，从而提高了效率。

- **轻量级锁（Lightweight Locking）**：如果偏向锁失败（例如，发生了线程竞争），JVM会尝试将锁升级为轻量级锁。轻量级锁通过CAS（Compare-And-Swap）操作来尝试获取锁，避免了使用重量级锁（即传统的对象监视器）带来的性能开销。如果CAS操作成功，线程将成功获取锁；如果失败，则可能意味着存在多个线程竞争锁，此时锁会进一步升级。

- **重量级锁（Heavyweight Locking）**：当轻量级锁升级失败时，JVM会最终将锁升级为重量级锁，即传统的对象监视器锁。在重量级锁状态下，线程竞争锁时会阻塞，直到持有锁的线程释放锁。虽然重量级锁保证了线程安全，但其性能开销较大。

#### 3. 锁的膨胀与升级过程

JVM中的`synchronized`锁会根据实际运行情况自动进行膨胀和升级，以适应不同的并发场景。

- **无锁状态**：初始状态，没有线程访问同步代码块。
- **偏向锁状态**：当第一个线程访问同步代码块时，锁被设置为偏向锁，并记录持有锁的线程ID。
- **轻量级锁状态**：当发生锁竞争，且竞争线程数量较少时，锁会升级为轻量级锁，通过CAS操作尝试获取锁。
- **重量级锁状态**：如果轻量级锁竞争激烈，锁会进一步升级为重量级锁，此时线程竞争锁时会发生阻塞。

#### 4. 性能优化策略

为了提升`synchronized`的性能，JVM提供了一系列优化策略：

- **自旋锁（Spinning）**：在轻量级锁升级为重量级锁之前，JVM会尝试使用自旋锁来避免线程阻塞。自旋锁让线程在获取锁之前执行一个空循环（即“自旋”），如果在这段时间内锁被释放，则线程可以直接获取锁，避免了线程阻塞和唤醒的开销。
- **适应性自旋（Adaptive Spinning）**：自旋锁的一个改进版本，它会根据之前自旋成功和失败的次数动态调整自旋的时间，以提高自旋的效率。
- **锁消除（Lock Elimination）**：JVM在JIT编译过程中会分析锁的使用情况，如果发现某些锁是多余的（例如，在不会发生线程竞争的代码块中使用`synchronized`），则会在编译时直接消除这些锁，以提高性能。
- **锁粗化（Lock Coarsening）**：与锁消除相反，锁粗化是将多个连续的细粒度锁合并为单个粗粒度锁，以减少线程切换的开销。

#### 5. 总结

Java虚拟机通过一系列复杂的锁机制和优化策略实现了`synchronized`关键字的功能，确保了多线程环境下的数据安全。从偏向锁、轻量级锁到重量级锁，JVM根据实际的并发情况动态调整锁的类型，以达到性能和安全的最佳平衡。同时，通过自旋锁、锁消除、锁粗化等优化技术，进一步提升了`synchronized`的性能。理解这些机制不仅有助于我们编写更高效的多线程程序，也为我们解决多线程并发问题提供了有力的工具。

在未来的Java版本中，随着并发技术的不断发展和JVM内部机制的持续优化，我们有理由相信`synchronized`的实现将会变得更加高效和智能，为Java程序员提供更加丰富的并发编程能力和更加稳定的运行环境。

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