Java中synchronized的轻量级锁是如何减少锁开销的

2024/11/30 12:54:06 来源：https://blog.csdn.net/LONG_Yi_1994/article/details/141094749 浏览: 次关键词：Java中synchronized的轻量级锁是如何减少锁开销的

轻量级锁（Lightweight Locking）是一种优化 Java synchronized 锁的机制，用于减少线程之间的锁开销，特别是在锁竞争不激烈的情况下。其主要目标是通过自旋和减少上下文切换来提高锁的性能。以下是轻量级锁减少锁开销的具体方式和原理：

轻量级锁的工作原理

锁的升级:
- 当偏向锁的线程遇到锁竞争时，JVM 会将锁升级为轻量级锁。此时，JVM 会尝试使用轻量级锁的机制来降低锁的开销。
自旋锁:
- 自旋过程: 当一个线程尝试获取已经被其他线程持有的轻量级锁时，它不会立即进入阻塞状态，而是先进行自旋。自旋是指线程在短时间内重复检查锁是否被释放的过程。这可以减少线程上下文切换的开销。
- 自旋等待: 线程在自旋期间会不断检查锁的状态，如果锁在自旋期间被释放，线程会立即获得锁。自旋的时间是有限的，当自旋超时后，锁会升级为重量级锁。
锁记录（Lock Record）:
- 数据结构: 轻量级锁使用称为“锁记录”（Lock Record）的数据结构来保存锁的状态信息。锁记录包含了有关锁的信息和持有锁的线程。
- Mark Word 变更: 当对象的锁升级为轻量级锁时，对象头的 Mark Word 会被替换为指向锁记录的指针。此指针指向保存锁信息的数据结构。

轻量级锁减少锁开销的方式

减少线程上下文切换:
- 自旋: 自旋锁允许线程在短时间内尝试获取锁，而不是立即进行线程上下文切换。通过减少上下文切换的频率，轻量级锁可以显著降低锁的开销。
- 高效性: 在锁竞争不激烈的情况下，自旋可以非常高效，因为它避免了由于线程阻塞和唤醒带来的高开销。
减少系统调用开销:
- 避免阻塞: 轻量级锁在没有竞争的情况下允许线程自旋获取锁，从而避免了系统调用（如 pthread_mutex_lock）的开销。只有在自旋超时后，才会考虑使用重量级锁，从而降低了系统调用的频率。
优化短时间锁竞争:
- 短期锁持有: 轻量级锁适用于短时间内的锁竞争。在这种情况下，自旋等待锁的释放比使用重量级锁更高效。

锁升级和降级

从轻量级锁到重量级锁:
- 如果在自旋过程中，锁的竞争情况没有得到解决（即锁没有在自旋期间被释放），轻量级锁会升级为重量级锁。此时，线程将被阻塞，等待操作系统的线程调度来管理锁的获取和释放。
从重量级锁到轻量级锁:
- 当锁的竞争减少时，JVM 可能会将重量级锁降级为轻量级锁。此时，线程将使用自旋锁机制来尝试获取锁，以提高性能。

示例代码

以下代码示例展示了如何触发轻量级锁的机制：

public class LightweightLockExample {private static final Object lock = new Object();public static void main(String[] args) {// 创建多个线程来访问同步方法Runnable task = () -> {synchronized (lock) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - Acquired lock");try {Thread.sleep(100); // 模拟工作} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}};// 启动多个线程来测试轻量级锁的效果for (int i = 0; i < 5; i++) {new Thread(task, "Thread-" + i).start();}}
}

在这段代码中，当多个线程尝试获取同一个 synchronized 方法的锁时，JVM 会在轻量级锁状态下进行自旋尝试，从而减少锁的开销。