Synchronized底层原理深入剖析 - 锁的竞争与释放

发布时间: 2024-01-18 16:38:25 阅读量: 36 订阅数: 37
# 1. 引言 ## 1.1 Synchronized关键字的基本概念 Synchronized是Java中用于实现线程同步的关键字,它能够保证多个线程在访问共享资源时的互斥性和可见性。通常情况下,我们可以通过在方法或代码块上使用Synchronized关键字来保证线程的安全性。 Synchronized关键字有以下几种用法: - **修饰实例方法**:当通过Synchronized修饰实例方法时,该方法会被当前实例对象的锁所保护,只有获得该锁的线程才能执行该方法。 ```java public synchronized void method() { // synchronized代码块 } ``` - **修饰静态方法**:当通过Synchronized修饰静态方法时,该方法会被类的Class对象锁所保护,只有获得该锁的线程才能执行该方法。 ```java public static synchronized void method() { // synchronized代码块 } ``` - **修饰代码块**:当通过Synchronized修饰代码块时,需要传入一个锁对象,只有获得该锁对象的线程才能执行代码块。 ```java public void method() { synchronized (lock) { // synchronized代码块 } } ``` ## 1.2 为什么需要锁机制? 在并发编程中,当多个线程同时访问共享资源时,会引发一些问题,如数据不一致性、内存泄漏、死锁等。为了保证线程安全和数据一致性,我们需要使用锁机制。 锁机制的作用是在多线程环境下控制对共享资源的访问,通过对代码块或方法进行加锁,实现对共享资源的互斥访问。锁机制能够保证同一时间只有一个线程访问共享资源,从而避免了数据竞争和并发冲突的问题。 锁机制不仅可以保证线程的安全性,还可以提升系统的性能。通过合理使用锁机制,我们可以实现线程间的协调与合作,提高并发性能和系统吞吐量。 下面,我们将深入探讨Synchronized的底层实现原理,以加深对锁机制的理解和应用。 # 2. Synchronized底层实现 在Java中,Synchronized关键字是实现线程同步的一种方式。当多个线程同时访问共享资源时,如果没有合适的同步机制,就会出现数据不一致的问题。Synchronized关键字通过加锁的方式,保证了同一时刻只有一个线程可以执行被保护的代码块或方法,从而避免了数据竞争和不一致的问题。 ### Java对象头的结构和作用 在理解Synchronized的底层实现之前,首先需要了解Java对象头的结构和作用。在Java虚拟机中,每个对象都有一个对象头,用于存储对象的元数据和同步相关的信息。 Java对象头的具体结构如下所示: ``` | Mark Word | Class Metadata Address | Array Length (if the object is an array) | ``` 其中,Mark Word(标记字段)用于存储对象的状态和锁信息,Class Metadata Address指向对象的类元数据,Array Length字段仅在对象为数组时存在,用于记录数组的长度。 ### 锁的状态:偏向锁、轻量级锁、重量级锁 Synchronized锁的实现包括偏向锁、轻量级锁和重量级锁三种状态。 - 偏向锁:偏向锁是为了解决无竞争的情况下的锁性能问题而引入的。当一个线程获取到偏向锁后,如果再次进入同步块时,无需重新进行加锁操作,而是直接进入即可。只有在有其他线程争用锁时,偏向锁会自动升级为轻量级锁。 - 轻量级锁:当多个线程争用同一个锁时,偏向锁会升级为轻量级锁。轻量级锁使用CAS(Compare And Swap)操作来实现,如果CAS操作成功,表示当前线程获取到了锁,可以进入临界区执行,否则表示有其他线程竞争锁。 - 重量级锁:当轻量级锁竞争失败时,升级为重量级锁。重量级锁涉及到操作系统的底层同步机制,会导致线程阻塞和调度切换,性能较低。 ### 全局锁和对象锁 在Synchronized的实现中,锁可以分为全局锁和对象锁两种类型。 - 全局锁:全局锁是指Synchronized修饰的静态方法或代码块使用的锁,该锁对应的是类对象的Class对象。在同一时刻,只能有一个线程执行该类的同步方法或同步代码块。 - 对象锁:对象锁是指Synchronized修饰的实例方法或代码块使用的锁,该锁对应的是对象的实例。在同一时刻,只能有一个线程获取到该对象的锁,执行该对象的同步方法或同步代码块。 ```java public class LockExample { public synchronized void synchronizedMethod() { // 对象锁 // 该方法同一时刻只能有一 ```
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