今天我們來和大家一起來一下關(guān)于這個(gè)鎖的問題，為什么鎖一直比較收到關(guān)注呢？因?yàn)樵?Java 的鎖機(jī)制能夠保證安全，這時(shí)候有些朋友就會(huì)說，說線程安全，那么效率勢(shì)必低下，很多時(shí)候就壓根不需要使用，這說的也確實(shí)是對(duì)的，因?yàn)橐话愫芏嚅_發(fā)在日常工作中，很少會(huì)使用到，但是呢，在面試的過程中，會(huì)經(jīng)常性的問題，今天我們就來聊聊一個(gè)老生常談的一個(gè)面試題，Synchronized 的鎖的升級(jí)過程。

為什么需要鎖

Java中的鎖是一種同步機(jī)制，可以確保多個(gè)線程之間共享資源的互斥訪問，從而避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)競(jìng)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(shí)際問題：

• 數(shù)據(jù)競(jìng)爭：在多線程環(huán)境中，如果多個(gè)線程同時(shí)訪問共享數(shù)據(jù)，就會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)競(jìng)爭問題。使用鎖可以確保同一時(shí)間只有一個(gè)線程可以訪問共享資源，避免數(shù)據(jù)競(jìng)爭和數(shù)據(jù)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(gè)線程之間的干擾和競(jìng)爭，從而保證代碼的正確性和可靠性。
• 性能優(yōu)化：Java中的鎖可以用于優(yōu)化程序的性能，比如使用讀寫鎖來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫分離，從而提高程序的并發(fā)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(xiàn)循環(huán)依賴的情況。

總之，Java中的鎖機(jī)制是保證多線程并發(fā)安全的重要手段，可以用于解決數(shù)據(jù)競(jìng)爭、線程安全、性能優(yōu)化和死鎖問題等實(shí)際問題。

Synchronized

synchronized是Java中的一個(gè)關(guān)鍵字，它提供了一種內(nèi)置鎖機(jī)制，用于確保多個(gè)線程在訪問共享資源時(shí)的同步性。

使用方式

• 修飾方法：直接在方法聲明上加上synchronized關(guān)鍵字，表示整個(gè)方法是同步的。此時(shí)，鎖是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象（對(duì)于非靜態(tài)方法）或Class對(duì)象（對(duì)于靜態(tài)方法）。
• 修飾代碼塊：使用synchronized(object)來指定一個(gè)對(duì)象作為鎖，只有持有該對(duì)象鎖的線程才能進(jìn)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(dāng)一個(gè)線程進(jìn)入由synchronized修飾的代碼塊或方法時(shí)，它會(huì)獲取對(duì)象的鎖，其他試圖進(jìn)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(shí)間只有一個(gè)線程可以執(zhí)行synchronized保護(hù)的代碼段。
• 可重入性：對(duì)于同一個(gè)線程來說，synchronized塊是可重入的，即一個(gè)線程可以多次獲取同一個(gè)對(duì)象的鎖。
• 可見性：synchronized保證了內(nèi)存可見性，即當(dāng)一個(gè)線程修改了共享變量的值后，其他線程能夠立即看到這個(gè)修改。這是通過JVM的內(nèi)存屏障指令實(shí)現(xiàn)的，確保了在獲取鎖之前和釋放鎖之后，相關(guān)的內(nèi)存操作會(huì)被刷新到主內(nèi)存或從主內(nèi)存重新讀取。

Synchronized 鎖的升級(jí)過程

在Java中，synchronized關(guān)鍵字的鎖升級(jí)過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，旨在提高并發(fā)性能并減少線程之間的爭用。這個(gè)過程從最初的無鎖狀態(tài)開始，根據(jù)線程對(duì)鎖的爭用情況，逐步升級(jí)到更高級(jí)別的鎖狀態(tài)。

我們來看一下他的升級(jí)過程：

無鎖狀態(tài)

對(duì)象剛被創(chuàng)建時(shí)，沒有線程對(duì)其加鎖，此時(shí)處于無鎖狀態(tài)。

偏向鎖

• 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)線程訪問某個(gè)對(duì)象并嘗試獲取鎖時(shí)，JVM會(huì)利用CAS（Compare-And-Swap）操作在對(duì)象的對(duì)象頭（Mark Word）中記錄下當(dāng)前線程的ID和偏向鎖標(biāo)記位（通常設(shè)置為1）。
• 如果下一次還是這個(gè)線程訪問該對(duì)象，則只需要檢查對(duì)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(jìn)行CAS操作。這種情況下，鎖就保持在偏向鎖狀態(tài)，整個(gè)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(duì)象并獲取鎖，偏向鎖會(huì)被撤銷，并嘗試升級(jí)為輕量級(jí)鎖。

輕量級(jí)鎖

• 當(dāng)偏向鎖被撤銷后，鎖會(huì)升級(jí)到輕量級(jí)鎖狀態(tài)。
• 在輕量級(jí)鎖狀態(tài)下，JVM會(huì)在當(dāng)前線程的棧幀中創(chuàng)建一個(gè)鎖記錄（Lock Record），并將對(duì)象頭中的Mark Word復(fù)制到該鎖記錄中，同時(shí)對(duì)象頭中會(huì)有一個(gè)指針指向這個(gè)鎖記錄。
• 當(dāng)前線程會(huì)進(jìn)入自旋（Spinning）狀態(tài)，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?yàn)榫€程切換涉及到操作系統(tǒng)層面的操作，開銷相對(duì)較大。
• 如果自旋過程中成功獲取到鎖，則繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)代碼；如果自旋超過一定次數(shù)（通常是10次）仍未獲取到鎖，或者有其他線程參與鎖競(jìng)爭，則輕量級(jí)鎖會(huì)膨脹為重量級(jí)鎖。

重量級(jí)鎖

• 當(dāng)輕量級(jí)鎖無法滿足并發(fā)需求時(shí)，鎖會(huì)升級(jí)為重量級(jí)鎖。
• 在重量級(jí)鎖狀態(tài)下，如果當(dāng)前線程未獲取到鎖，則會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待其他線程釋放鎖。當(dāng)鎖被釋放后，阻塞的線程會(huì)被喚醒并重新嘗試獲取鎖。
• 重量級(jí)鎖的實(shí)現(xiàn)依賴于操作系統(tǒng)的互斥量（Mutex）或其他同步機(jī)制，因此涉及到用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換，開銷相對(duì)較大。

總結(jié)

• synchronized的鎖升級(jí)過程是從無鎖狀態(tài)開始，根據(jù)線程對(duì)鎖的爭用情況逐步升級(jí)到偏向鎖、輕量級(jí)鎖和重量級(jí)鎖的過程。
• 偏向鎖和輕量級(jí)鎖是JVM為了提高并發(fā)性能而引入的優(yōu)化措施，它們可以減少線程切換帶來的性能開銷。
• 重量級(jí)鎖是當(dāng)輕量級(jí)鎖無法滿足并發(fā)需求時(shí)的最終選擇，它依賴于操作系統(tǒng)的同步機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。

你對(duì)Synchronized的升級(jí)過程了解了么？