synchronized 做了哪些优化?

Java 中的 synchronized 关键字是保证线程安全的基本机制,随着 JVM 的发展,它经历了多次优化以提高性能。

1. 锁升级机制(锁膨胀)

JDK 1.6 引入了偏向锁→轻量级锁→重量级锁的升级机制,避免了一开始就使用重量级锁:

1.1 偏向锁(Biased Locking)

  • 优化场景:只有一个线程访问同步块
  • 实现:在对象头记录偏向线程ID
  • 优势:几乎无同步开销
  • 触发升级:当有其他线程尝试获取锁时

1.2 轻量级锁(Thin Lock)

  • 优化场景:多线程交替访问但无竞争
  • 实现:通过CAS操作和栈帧中的Lock Record实现
  • 优势:避免操作系统层面的线程阻塞
  • 触发升级:当自旋获取锁失败(默认自旋10次)

1.3 重量级锁(Heavyweight Lock)

  • 场景:真正的高竞争情况
  • 实现:通过操作系统的互斥量(mutex)实现
  • 特点:线程会进入阻塞状态

2. 自适应自旋锁(Adaptive Spinning)

  • 自旋次数不再固定,而是根据:
    • 前一次在该锁上的自旋成功情况
    • 锁拥有者的状态
  • 如果上次自旋成功,则增加自旋次数
  • 如果很少成功,则可能直接跳过自旋

3. 锁消除(Lock Elimination)

  • 优化场景:JIT 编译器通过逃逸分析确定对象不会逃逸当前线程

  • 效果:完全移除不必要的同步操作

  • 示例

    java 复制代码
    public void method() {
        Object lock = new Object();  // 局部对象,不会逃逸
        synchronized(lock) {         // 会被优化掉
            // do something
        }
    }

4. 锁粗化(Lock Coarsening)

  • 优化场景:相邻的同步块使用同一个锁

  • 效果:合并多个同步块为一个,减少锁的获取/释放次数

  • 示例

    java 复制代码
    // 优化前
    synchronized(lock) { do1(); }
    synchronized(lock) { do2(); }
    
    // 优化后
    synchronized(lock) { 
        do1();
        do2(); 
    }

5. 其他优化

5.1 偏向锁延迟启用

  • 默认情况下,JVM 在启动后4秒才启用偏向锁(通过 BiasedLockingStartupDelay 参数配置)
  • 避免启动阶段大量竞争导致的偏向锁撤销开销

5.2 批量重偏向(Bulk Rebias)

  • 当一类锁对象被多个线程交替使用,但未真正竞争时
  • JVM 会批量重置这些对象的偏向锁,而不是逐个撤销

5.3 批量撤销(Bulk Revoke)

  • 当一类锁对象的偏向模式不再有效时
  • JVM 会一次性撤销所有该类实例的偏向锁

性能对比(JDK 1.6+ vs 早期版本)

场景 早期版本 JDK 1.6+ 优化后
单线程访问 重量级锁开销 偏向锁零开销
低竞争交替访问 重量级锁开销 轻量级锁CAS操作
短时间高竞争 线程立即阻塞 自旋尝试获取
长时间高竞争 线程阻塞 最终仍会阻塞

最佳实践

  1. 减少同步范围:只在必要代码块加锁
  2. 降低锁粒度:使用多个细粒度锁而非一个大锁
  3. 避免锁嵌套:容易导致死锁
  4. 考虑替代方案 :在适当场景使用 java.util.concurrent 包中的并发工具

这些优化使得 synchronized 在大多数场景下的性能已经接近或超过显式锁(如 ReentrantLock),同时保持了更好的安全性和易用性。

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