解释锁升级的过程及其在 Java 并发编程中的应用。

八股文_Java并发基础题 0 2

参考回答

锁升级是指在多线程环境中，锁的粒度逐渐从较轻的锁（如无锁或偏向锁）升级到更重的锁（如轻量级锁、重量级锁）的过程。在 Java 并发编程中，锁升级是 JVM 为了提高性能而自动管理的一种机制。锁升级的目的是尽可能地减少锁的开销，当线程竞争较少时，使用较轻的锁，而当竞争激烈时，才升级为更重的锁。

锁升级的过程：

偏向锁：当一个线程访问锁对象时，JVM 会将锁对象标记为“偏向锁”，并将锁的拥有者设置为该线程。当其他线程访问该锁时，如果没有竞争，锁会继续保持偏向锁状态。
轻量级锁：当有第二个线程请求锁时，偏向锁会升级为轻量级锁。此时，锁会使用 CAS 操作进行同步，减少了操作系统的上下文切换开销。
重量级锁：当有多个线程同时请求锁，轻量级锁竞争失败时，锁会进一步升级为重量级锁（互斥锁）。此时，线程会被挂起，操作系统会进行上下文切换，锁的开销较大。

详细讲解与拓展

1. 锁的种类及升级过程

在 Java 中，锁可以分为以下几种类型：

偏向锁（Biased Locking）：
- 偏向锁是 JVM 默认的锁状态，当一个线程获取锁时，JVM 会将该锁标记为“偏向锁”，并将锁的所有权分配给这个线程。
- 偏向锁可以减少锁的竞争，避免了线程每次访问锁时都进行 CAS 操作。只有当其他线程竞争该锁时，才会发生升级。
轻量级锁（Lightweight Locking）：
- 当有第二个线程请求锁时，JVM 会尝试通过 CAS 操作来获取锁，而不使用传统的操作系统互斥机制。
- 如果线程 1 持有锁且线程 2 尝试获取锁，JVM 会将锁从偏向锁升级为轻量级锁。轻量级锁利用 CAS 来减少竞争。
重量级锁（Heavyweight Locking）：
- 当有多个线程竞争锁时，轻量级锁会失败，JVM 会将其升级为重量级锁。此时，锁的获取会导致线程挂起，操作系统会进行上下文切换。
- 重量级锁是 Java 中的传统锁，通常会导致较高的性能开销。

升级过程：

初始状态：对象的锁是偏向锁。
当第二个线程竞争锁时，偏向锁升级为轻量级锁。
如果多个线程竞争时，轻量级锁升级为重量级锁。

2. 偏向锁到轻量级锁的升级

偏向锁的优化：偏向锁的目标是减少无竞争的情况下的锁获取开销。当线程 A 获取了锁，且其他线程没有争用时，JVM 就会把这个锁设置为偏向锁，线程 A 在后续的访问中不需要再进行 CAS 操作，从而避免了不必要的同步开销。
升级到轻量级锁的条件：
- 当有第二个线程请求访问锁时，JVM 会首先尝试通过 CAS 操作来获取锁，如果失败，就会将锁从偏向锁升级为轻量级锁。
- 轻量级锁使用 CAS 机制，尽量减少线程之间的竞争，且不涉及操作系统的上下文切换。

举例：假设线程 1 已经持有某个锁并且没有其他线程竞争该锁，锁将保持偏向锁状态。现在线程 2 也请求锁，JVM 会将偏向锁升级为轻量级锁，线程 2 将尝试通过 CAS 操作来获取锁。如果成功，线程 2 可以继续执行，若失败，线程 2 将进入阻塞状态。

3. 轻量级锁到重量级锁的升级

轻量级锁的局限性：轻量级锁通过 CAS 操作来减少同步开销，但如果多个线程同时请求锁，CAS 会失败，此时需要升级为重量级锁。
升级到重量级锁的条件：
- 当 CAS 操作无法成功（即有多个线程竞争），JVM 会将轻量级锁升级为重量级锁。
- 重量级锁会使用操作系统的互斥机制来实现线程的同步，通常会导致线程挂起和上下文切换，从而增加性能开销。

举例：假设线程 1 和线程 2 都请求一个被轻量级锁保护的资源，线程 1 成功获取锁，而线程 2 无法通过 CAS 获得锁。此时，轻量级锁将失败，并且锁会被升级为重量级锁，线程 2 将会被挂起，直到线程 1 释放锁。

4. `synchronized` 的锁升级机制

JVM 自动处理锁的升级：Java 中的 synchronized 关键字采用了锁升级机制。默认情况下，synchronized 锁是偏向锁，如果有多个线程竞争，锁会自动从偏向锁升级为轻量级锁，再从轻量级锁升级为重量级锁。
JVM 处理锁的开销：偏向锁和轻量级锁都通过避免不必要的上下文切换和锁竞争来提高性能，只有在竞争激烈时，才使用重量级锁，保证了线程同步的效率。

5. 锁升级的应用场景

锁升级机制在以下场景中尤为有用：

单线程或少量线程竞争：在没有多线程竞争的情况下，偏向锁能够显著减少同步开销，线程能够快速地获取锁而无需进行 CAS 操作。
中等并发：在有一些线程竞争时，轻量级锁能够利用 CAS 操作避免过度的性能开销。
高并发：当锁的竞争非常激烈时，JVM 会自动将锁升级为重量级锁，确保线程同步的正确性。

6. 示例：锁升级

public class LockUpgradeExample {
    private static int counter = 0;

    public static void increment() {
        synchronized (LockUpgradeExample.class) {
            counter++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 使用多个线程来模拟锁的竞争
        Thread[] threads = new Thread[1000];
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            threads[i] = new Thread(LockUpgradeExample::increment);
        }

        for (Thread thread : threads) {
            thread.start();
        }

        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }

        System.out.println("Counter: " + counter);  // 输出最终的计数值
    }
}

解析：

当线程数较少时，synchronized 锁会保持偏向锁，避免不必要的同步开销。
随着线程数量增加，JVM 会自动将锁升级为轻量级锁，并在线程竞争激烈时升级为重量级锁。

总结

锁升级过程：锁从偏向锁、轻量级锁到重量级锁的升级，旨在通过减少不必要的锁竞争开销，提高程序性能，尤其是在低并发场景中。
JVM 自动管理：锁的升级是 JVM 自动进行的，程序员无需手动干预。
适用场景：
- 锁升级机制适用于低并发到高并发的场景，确保线程同步的同时，尽量避免性能瓶颈。