今天我們來和大家一起來一下關于這個鎖的問題，為什么鎖一直比較收到關注呢？因為在 Java 的鎖機制能夠保證安全，這時候有些朋友就會說，說線程安全，那么效率勢必低下，很多時候就壓根不需要使用，這說的也確實是對的，因為一般很多開發在日常工作中，很少會使用到，但是呢，在面試的過程中，會經常性的問題，今天我們就來聊聊一個老生常談的一個面試題，Synchronized 的鎖的升級過程。

為什么需要鎖

Java中的鎖是一種同步機制，可以確保多個線程之間共享資源的互斥訪問，從而避免出現數據競爭和線程安全問題。使用鎖的主要目的是保證代碼的正確性和可靠性。

Java中的鎖能夠解決以下實際問題：

• 數據競爭：在多線程環境中，如果多個線程同時訪問共享數據，就會產生數據競爭問題。使用鎖可以確保同一時間只有一個線程可以訪問共享資源，避免數據競爭和數據不一致的問題。
• 線程安全：Java中的鎖可以確保線程安全，避免多個線程之間的干擾和競爭，從而保證代碼的正確性和可靠性。
• 性能優化：Java中的鎖可以用于優化程序的性能，比如使用讀寫鎖來實現對數據的讀寫分離，從而提高程序的并發性能。
• 死鎖問題：Java中的鎖可以用于避免死鎖問題，比如使用一致性的加鎖順序，避免出現循環依賴的情況。

總之，Java中的鎖機制是保證多線程并發安全的重要手段，可以用于解決數據競爭、線程安全、性能優化和死鎖問題等實際問題。

Synchronized

synchronized是Java中的一個關鍵字，它提供了一種內置鎖機制，用于確保多個線程在訪問共享資源時的同步性。

使用方式

• 修飾方法：直接在方法聲明上加上synchronized關鍵字，表示整個方法是同步的。此時，鎖是當前實例對象（對于非靜態方法）或Class對象（對于靜態方法）。
• 修飾代碼塊：使用synchronized(object)來指定一個對象作為鎖，只有持有該對象鎖的線程才能進入synchronized塊。這種方式可以更加靈活地控制需要同步的代碼范圍。

原理與特性

• 互斥性：當一個線程進入由synchronized修飾的代碼塊或方法時，它會獲取對象的鎖，其他試圖進入該代碼塊或方法的線程將被阻塞，直到鎖被釋放。這確保了同一時間只有一個線程可以執行synchronized保護的代碼段。
• 可重入性：對于同一個線程來說，synchronized塊是可重入的，即一個線程可以多次獲取同一個對象的鎖。
• 可見性：synchronized保證了內存可見性，即當一個線程修改了共享變量的值后，其他線程能夠立即看到這個修改。這是通過JVM的內存屏障指令實現的，確保了在獲取鎖之前和釋放鎖之后，相關的內存操作會被刷新到主內存或從主內存重新讀取。

Synchronized 鎖的升級過程

在Java中，synchronized關鍵字的鎖升級過程是一個動態的過程，旨在提高并發性能并減少線程之間的爭用。這個過程從最初的無鎖狀態開始，根據線程對鎖的爭用情況，逐步升級到更高級別的鎖狀態。

我們來看一下他的升級過程：

無鎖狀態

對象剛被創建時，沒有線程對其加鎖，此時處于無鎖狀態。

偏向鎖

• 當第一個線程訪問某個對象并嘗試獲取鎖時，JVM會利用CAS（Compare-And-Swap）操作在對象的對象頭（Mark Word）中記錄下當前線程的ID和偏向鎖標記位（通常設置為1）。
• 如果下一次還是這個線程訪問該對象，則只需要檢查對象頭中的線程ID是否與自己的ID相同，如果相同則直接獲得鎖，無需再進行CAS操作。這種情況下，鎖就保持在偏向鎖狀態，整個過程幾乎沒有任何性能開銷。
• 如果在持有偏向鎖期間，其他線程嘗試訪問該對象并獲取鎖，偏向鎖會被撤銷，并嘗試升級為輕量級鎖。

輕量級鎖

• 當偏向鎖被撤銷后，鎖會升級到輕量級鎖狀態。
• 在輕量級鎖狀態下，JVM會在當前線程的棧幀中創建一個鎖記錄（Lock Record），并將對象頭中的Mark Word復制到該鎖記錄中，同時對象頭中會有一個指針指向這個鎖記錄。
• 當前線程會進入自旋（Spinning）狀態，即不斷嘗試重新獲取鎖，而不是立即阻塞。自旋的目的是為了避免線程切換帶來的性能開銷，因為線程切換涉及到操作系統層面的操作，開銷相對較大。
• 如果自旋過程中成功獲取到鎖，則繼續執行后續代碼；如果自旋超過一定次數（通常是10次）仍未獲取到鎖，或者有其他線程參與鎖競爭，則輕量級鎖會膨脹為重量級鎖。

重量級鎖

• 當輕量級鎖無法滿足并發需求時，鎖會升級為重量級鎖。
• 在重量級鎖狀態下，如果當前線程未獲取到鎖，則會進入阻塞狀態，等待其他線程釋放鎖。當鎖被釋放后，阻塞的線程會被喚醒并重新嘗試獲取鎖。
• 重量級鎖的實現依賴于操作系統的互斥量（Mutex）或其他同步機制，因此涉及到用戶態和內核態的切換，開銷相對較大。

總結

• synchronized的鎖升級過程是從無鎖狀態開始，根據線程對鎖的爭用情況逐步升級到偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖的過程。
• 偏向鎖和輕量級鎖是JVM為了提高并發性能而引入的優化措施，它們可以減少線程切換帶來的性能開銷。
• 重量級鎖是當輕量級鎖無法滿足并發需求時的最終選擇，它依賴于操作系統的同步機制來實現。

你對Synchronized的升級過程了解了么？