解释重量级锁的概念及其与其他锁类型的区别。
参考回答
重量级锁 是 Java 中的一种线程同步机制，属于 synchronized 锁的最高级状态。当多个线程发生激烈竞争，且轻量级锁和偏向锁无法满足需求时，JVM 会将锁升级为重量级锁。重量级锁使用操作系统的互斥锁（Mutex）机制来实现线程的互斥访问。
特点：
- 线程阻塞：重量级锁会导致线程被阻塞，直到获取到锁。
- 性能较低：由于需要线程挂起和唤醒操作，重量级锁的开销较高。
- 可重入性：重量级锁支持线程重入，即同一个线程可以多次获取同一把锁。
详细讲解与拓展
1. 锁的分类
在 Java 的 synchronized 锁实现中，锁的状态可以根据线程竞争程度逐步升级（偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁）：
| 锁类型 | 竞争程度 | 特点 | 性能 |
|---|---|---|---|
| 无锁 | 无竞争 | 无锁竞争，多个线程可以同时访问共享资源，适合无冲突场景。 | 最高 |
| 偏向锁 | 极低竞争 | 锁被一个线程多次使用时，不涉及 CAS 操作，偏向一个线程，开销极低。 | 高 |
| 轻量级锁 | 中等竞争 | 使用自旋操作而非阻塞，线程在短时间内尝试获取锁。 | 较高 |
| 重量级锁 | 激烈竞争 | 线程挂起和唤醒操作由操作系统完成，线程需要进入阻塞状态。 | 最低 |
2. 重量级锁的工作原理
- 线程竞争导致锁升级：
- 当线程试图获取轻量级锁失败（自旋多次仍未成功），锁会升级为重量级锁。
- JVM 将重量级锁的状态存储在对象的 Mark Word 中。
- 线程阻塞：
- 重量级锁依赖操作系统的互斥锁（Mutex）实现。
- 未获取到锁的线程会被阻塞（挂起），当锁被释放时，通过操作系统的调度机制唤醒被阻塞的线程。
- 线程安全性：
- 重量级锁确保多个线程对共享资源的访问是互斥的，完全消除了竞争。
3. 重量级锁的特点
- 线程阻塞与唤醒：
- 重量级锁会将未获取锁的线程挂起，线程需要通过上下文切换来等待锁的释放。
- 挂起和唤醒操作由操作系统调度，性能开销较大。
- 性能较低：
- 与轻量级锁的自旋不同，重量级锁会导致线程进入内核态（操作系统层面）进行调度。
- 上下文切换的代价较高，适合高竞争但较长等待时间的场景。
- 锁的粒度：
- 重量级锁支持多个线程之间的互斥，但并不会对代码块中的非共享资源操作做优化。
4. 示例代码
以下代码通过激烈竞争演示重量级锁的场景：
public class HeavyWeightLockExample {
private static final Object lock = new Object();
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
new Thread(() -> {
synchronized (lock) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired the lock");
try {
Thread.sleep(1000); // 模拟长时间持有锁
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released the lock");
}
}).start();
}
}
}
输出示例：
Thread-0 acquired the lock
Thread-0 released the lock
Thread-1 acquired the lock
Thread-1 released the lock
...
分析：
- 线程会逐一获取锁，其他线程在等待时被阻塞。
- 由于线程被挂起和唤醒，程序的执行效率较低。
5. 重量级锁与轻量级锁的区别
| 特性 | 轻量级锁 | 重量级锁 |
|---|---|---|
| 锁升级 | 线程竞争升级，但线程采用自旋，不会阻塞。 | 线程竞争升级，未获取锁的线程进入阻塞状态。 |
| 实现机制 | 使用 CAS 操作，自旋等待锁释放。 | 使用操作系统的互斥锁，线程阻塞和唤醒由 OS 调度。 |
| 性能 | 自旋会消耗 CPU 时间，但性能较高。 | 线程挂起和唤醒涉及上下文切换，性能较低。 |
| 适用场景 | 短时间锁竞争不激烈的场景。 | 锁竞争激烈、等待时间长的场景。 |
6. JVM 优化：避免重量级锁
JVM 为了减少重量级锁的使用，通过以下技术优化锁性能：
- 偏向锁：
- 偏向于某个线程，只要没有其他线程竞争，锁操作会非常轻量级。
- 轻量级锁：
- 通过自旋减少线程阻塞的可能性。
- 锁消除：
- 如果锁只在线程内部使用（无共享资源），JVM 会自动消除锁。
- 锁膨胀：
- 锁会根据线程竞争程度逐步升级，从偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁。
总结
重量级锁 是线程竞争激烈时锁的最终形态，依赖操作系统的互斥锁实现，确保线程同步的安全性。虽然重量级锁能够完全消除竞争，但其性能开销较高，不适合高性能场景。
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 优点 | 提供可靠的线程同步机制，完全消除线程竞争。 |
| 缺点 | 性能较低，涉及线程挂起和唤醒的上下文切换。 |
| 适用场景 | 高竞争场景、长时间持有锁的操作。 |
| 优化方式 | JVM 提供偏向锁、轻量级锁等机制避免锁升级到重量级锁。 |