synchronized加锁解锁流程

一、加锁流程

synchronized 的加锁过程涉及 锁升级机制（偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁），JVM 根据竞争情况动态调整锁状态以优化性能。以下是详细步骤：

1. 无锁状态 → 偏向锁

场景：首次线程访问同步块，无竞争。
流程：
1. 检查对象头 ：确认当前为无锁状态（锁标志位 01）。
2. CAS 设置偏向线程 ：将对象头中的 Mark Word 替换为当前线程 ID 和偏向时间戳（通过 CAS 操作）。
3. 进入同步块：后续同一线程重入时，仅需检查线程 ID 是否匹配，无需额外操作。
优点：无竞争时完全无同步开销。

2. 偏向锁 → 轻量级锁

触发条件：其他线程尝试获取锁，触发偏向锁撤销。
流程：
1. 暂停持有偏向锁的线程：JVM 通过安全点（Safe Point）暂停线程。
2. 撤销偏向锁：将对象头恢复为无锁状态，并记录锁撤销信息。
3. 升级为轻量级锁：
  - 线程在栈帧中创建锁记录（Lock Record），存储对象头的 Mark Word 副本。
  - 通过 CAS 将对象头的 Mark Word 替换为指向锁记录的指针。
  - 若成功，线程获得轻量级锁；若失败，进入自旋等待。
优点：竞争较小时通过 CAS 避免线程阻塞。

3. 轻量级锁 → 重量级锁

触发条件：自旋超过阈值（默认 10 次）或竞争加剧。
流程：
1. 膨胀为重量级锁 ：JVM 创建 Monitor 对象（C++ 的 ObjectMonitor），并将对象头指向 Monitor。
2. 线程进入阻塞队列 ：竞争失败的线程进入 Monitor 的 _EntryList 队列，等待操作系统调度。
3. 切换至内核态：依赖操作系统的互斥量（Mutex Lock）实现线程阻塞。
缺点：上下文切换开销大，性能下降。

二、解锁流程

解锁过程需处理不同锁状态，并唤醒等待线程：

1. 偏向锁解锁

流程：
1. 检查线程 ID：确认当前线程为锁持有者。
2. 直接释放：无需修改对象头，保留偏向状态。
特点：无竞争时解锁无开销。

2. 轻量级锁解锁

流程：
1. CAS 恢复对象头 ：将锁记录中的 Mark Word 副本通过 CAS 写回对象头。
2. 成功：对象恢复为无锁状态。
3. 失败：说明锁已膨胀为重量级锁，唤醒 Monitor 中的等待线程。
特点：依赖 CAS 操作，无线程唤醒开销。

3. 重量级锁解锁

流程：
1. 释放 Monitor ：将 Monitor 的 _owner 字段置为 null。
2. 唤醒等待线程 ：从 _EntryList 或 _WaitSet 队列中唤醒一个线程。
3. 上下文切换：操作系统调度唤醒的线程重新竞争锁。
特点：涉及内核态切换，开销较大。

三、内存语义与屏障

加锁时：
- Load 屏障：强制从主内存加载共享变量最新值。
- Acquire 屏障：禁止同步块内读操作与块外指令重排序。
解锁时：
- Release 屏障：强制将工作内存的修改刷新到主内存。
- Store 屏障：禁止同步块内写操作与块外指令重排序。

四、流程图解

scss 复制代码

加锁流程：
[无锁] → (首次线程访问) → [偏向锁] → (竞争发生) → [轻量级锁] → (自旋失败) → [重量级锁]
          ↑_________________________↓               ↑_______________↓

解锁流程：
[偏向锁] → 无操作
[轻量级锁] → CAS 恢复对象头
[重量级锁] → 释放 Monitor，唤醒线程

五、性能优化策略

减少锁竞争：
- 缩小同步范围（如细化锁粒度）。
- 使用无锁数据结构（如 ConcurrentHashMap）。
避免锁升级：
- 控制同步块执行时间（减少自旋失败概率）。
锁消除（Lock Elision） ：
- JIT 编译器优化，去除不可能竞争的锁（如局部变量锁）。
锁粗化（Lock Coarsening） ：
- 合并相邻的同步块，减少锁获取/释放次数。

六、总结

阶段	触发条件	性能开销	适用场景
偏向锁	单线程重复访问	极低	无竞争环境
轻量级锁	低并发竞争	低（CAS）	短时间同步块
重量级锁	高并发竞争	高（阻塞）	长时间同步块或高并发

关键点：

偏向锁 和 轻量级锁 是 JVM 的优化手段，旨在减少无竞争或低竞争时的开销。
重量级锁 是最终兜底方案，依赖操作系统实现线程阻塞与唤醒。
理解锁升级流程有助于编写高效并发代码，避免不必要的性能损耗。