(19)《synchronized》

背景

JDK 6+ 对 synchronized 进行了深度优化（如偏向锁、轻量级锁），在无竞争/低竞争场景下性能甚至优于 CAS。

为什么？
CAS 需要多次重试（CPU 空转），而 synchronized 通过锁升级机制，避免了无效重试。
（类比：等红灯时，车不熄火（自旋）比熄火等待（阻塞）更高效，尤其在多核CPU上）

前置知识：对象头 & Mark Word

每个 Java 对象都有 对象头（内存中前 8-16 字节）：

Mark Word：存储对象状态（哈希码、分代年龄等）。
加锁时，Mark Word 被替换为锁信息（如线程ID、锁记录指针）：

锁状态 Mark Word 内容
无锁哈希码、分代年龄
偏向锁线程ID、偏向时间戳
轻量级锁指向锁记录（Lock Record）的指针
重量级锁指向重量级锁（OS互斥量）的指针

锁状态	Mark Word 内容
无锁	哈希码、分代年龄
偏向锁	线程ID、偏向时间戳
轻量级锁	指向锁记录（Lock Record）的指针
重量级锁	指向重量级锁（OS互斥量）的指针

💡 关键：锁升级是 单向的（无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁），不可逆。

锁升级过程（核心！）

1. 偏向锁（Biased Locking）

适用场景：无竞争（只有单线程访问）。
优化点：避免每次重入都 CAS。
- 第一次加锁：用 CAS 将线程ID写入 Mark Word。
- 后续重入：直接检查 Mark Word 中的线程ID是否匹配 → 无需 CAS！
撤销条件：
- 有竞争 → 升级为轻量级锁（需 STW，暂停所有线程）。
- 访问 hashCode() → 撤销偏向锁（因哈希码会覆盖 Mark Word）。
重偏向：对象被多个线程访问但无竞争时，可重偏向给新线程（批量操作，以类为单位）。
禁用：-XX:-UseBiasedLocking（JVM 参数）。

📌 比喻：课本占座（线程A占座后，自己回来直接用，不用问别人）。

2. 轻量级锁（Lightweight Locking）

适用场景：无竞争或少量竞争（线程交替执行，如 A 上课 → B 上课）。
机制：
- 每个线程栈帧中存 Lock Record（锁记录），包含对象 Mark Word 的副本。
- 加锁：用 CAS 将对象 Mark Word 指向 Lock Record。
  - 成功：无竞争，继续执行。
  - 失败：升级为重量级锁（锁膨胀）。

无竞争示例（线程A、B交替执行）：

Object lock = new Object();
// 线程A：第一次加锁，CAS成功（Mark Word → Lock Record）
synchronized (lock) { /* 代码 */ } // 无竞争时，直接执行

// 线程B：尝试加锁，CAS成功（Mark Word → 自己的Lock Record）
synchronized (lock) { /* 代码 */ } // 无竞争，继续执行

锁膨胀示例（竞争发生 → 升级重量级锁）：

Object lock = new Object();
// 线程A：成功加锁（轻量级锁）
synchronized (lock) { 
    // 线程B同时尝试加锁，CAS失败 → 触发锁膨胀
    synchronized (lock) { /* 线程B升级为重量级锁 */ }
}

📌 比喻：线程A占座（课本），回来发现课本没动 → 继续上课（无竞争）；
有人动了课本 → 线程A立刻升级为铁栅栏（重量级锁）。

3. 重量级锁（Heavyweight Locking）

适用场景：高竞争（多个线程同时抢锁）。
优化：自旋锁（JDK 6+）
- 自旋：线程忙等（CPU 空转），等待锁释放（避免阻塞/唤醒开销）。
- 自适应：
  - 之前自旋成功 → 多自旋几次（如 10 次）；
  - 之前自旋失败 → 少自旋甚至不自旋。
- 注意事项：
  - ✅ 多核 CPU 有效（自旋占用 CPU，单核浪费）。
  - ❌ 无法手动控制（JDK 7+ 无法关闭）。
    
    📌 比喻：等红灯时，车不熄火（自旋）→ 等到绿灯直接走；
    车熄火（阻塞）→ 等绿灯再启动（浪费时间）。

其他关键优化

优化方式	原理	示例
减少上锁时间	同步块内代码越短越好（避免 I/O、网络等耗时操作）。	`synchronized { shortOp(); }`
减少锁粒度	拆分大锁为多个小锁（提升并发度）。	`ConcurrentHashMap`（分段锁） `LongAdder`（base + cells 数组，多线程并行累加）
锁粗化	多次同步 → 合并为一次（JVM 自动优化）。	`for (i=0; i<10; i++) { sync(); }` → `sync() { for (i=0; i<10; i++) { } }`
锁消除	JVM 逃逸分析：锁对象是局部变量（不被其他线程访问）→ 移除锁。	`void method() { Object lock = new Object(); sync(lock) { ... } }` → 无锁
读写分离	读操作无锁，写操作加锁（写时复制）。	`CopyOnWriteArrayList`（写时复制数组，读无锁）

为什么优化这么重要？

无竞争：偏向锁 → 零 CAS 开销。
低竞争：轻量级锁 → CAS 成功，避免 OS 调用。
高竞争：自旋锁 → 用 CPU 换时间（比阻塞快）。

💡 总结：JVM 用“锁升级+自适应优化”动态匹配竞争场景，让 synchronized 在大多数场景下比 CAS 更高效。

📌 附：锁升级流程图
无锁 → 偏向锁（无竞争）→ 轻量级锁（少量竞争）→ 重量级锁（高竞争）
（箭头方向：单向，不可回退）

笔记原则：只保留核心逻辑，省略冗余代码。
建议：实际编码中，优先用 synchronized（JVM 优化好），少用 CAS（需手动处理重试）。

背景