7000+字图文并茂解带你深入理解java锁升级的每个细节

深入理解Java锁升级的每个细节

在Java并发编程中，锁升级是多线程并发问题解决的关键技术。许多人对锁升级的理解往往停留在表面，这篇文章将带你深入理解锁升级的每一个细节，从线程切换的性能影响、对象头中的mark-word结构、锁状态标志位与偏向锁标记位的含义，到无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁的状态转换与优化机制。

为何线程切换会消耗性能？在多CPU的机器中，切换线程意味着缓存在一个CPU上的数据可能不再适用，因为线程可能在另一个CPU上执行。因此，频繁切换线程并不高效，应尽量避免。

理解锁升级为何必要？无锁和偏向锁的标志位设置为01，而轻量级锁的标志位为00，这种设计避免了额外的计算，提高了性能。轻量级锁将锁状态标志位之外的62位用于指针地址，使得在判断标志位为00时，可以直接使用作为地址使用，减少了操作。

mark-word的解释：Java对象头中的mark-word记录了对象的哈希码、分代年龄等信息。在锁升级过程中，这些信息会根据锁状态的变化而变化，确保每个锁状态下的对象属性都得到正确维护。

锁状态与哈希码的关系：哈希码主要用于对象的快速查找和比较，但在锁升级的上下文中，哈希码的生成方式与通常的哈希函数不同。它由底层JVM计算得到，并在对象头中固化，如果覆盖了默认的哈希码函数，则不会生成哈希码，需要每次调用。

延迟加载的哈希码：哈希码的生成并非在对象创建时立即进行，而是采用延迟加载技术，只有在需要进行哈希操作时才生成，避免了不必要的计算。

锁升级过程中的哈希码与分代年龄：在锁升级的三个阶段中，哈希码与分代年龄的使用会有所不同，具体取决于锁的状态。在偏向锁和轻量级锁阶段，哈希码和分代年龄会暂时消失，但会根据需要重新计算和使用。

无锁与偏向锁的细节：无锁状态适用于对象未进入过同步代码块的情况。一旦代码进入同步块，对象进入偏向锁状态，存储了当前偏向的线程ID。这个ID的设置和读取过程涉及到CAS操作，确保线程ID的唯一性。如果存在线程ID冲突，偏向锁会升级为轻量级锁。

偏向锁的运作：在偏向锁加锁过程中，通过CAS操作将线程ID设置到markword中，如果设置成功，锁就被挂上。每次访问检查线程ID一致后，直接进入同步代码块执行。如果存在其他线程访问，偏向锁会被升级为轻量级锁，以减少竞争和冲突。

轻量级锁与重量级锁的对比：轻量级锁将锁状态标志位之外的信息存储在栈帧中的lockRecord中，支持线程重入。重量级锁则通过C++实现，包含复杂的队列和状态管理，用于处理线程的等待、唤醒和阻塞。

重量级锁的原理：重量级锁通过对象Monitor实现同步，每个对象拥有一个独占的Monitor对象，线程在进入同步代码块时，需要通过Monitor的队列进行等待、唤醒和阻塞操作。

总结与思考：Java锁升级机制在提高性能的同时，也带来了复杂性。偏向锁的优化减少了锁的竞争，但在硬件发展和原子指令成本变化后，轻量级锁的性能优势逐渐显现。因此，虽然官方不再默认开启偏向锁，但其思想值得学习，特别是在简单场景下的高效同步处理。同步关键字sync与JUC组件在某些情况下仍具有不可替代性，特别是在历史代码和简单同步需求的场景中。