说一下 synchronized 底层实现原理?

synchronized 是 Java 中用于控制多个线程对共享资源访问的关键字，它可以保证线程安全，防止多个线程同时访问共享资源时可能出现的数据不一致问题。下面是 synchronized 关键字的底层实现原理：

底层实现原理

1. 监视器锁（Monitor Lock）：
   • 每个对象都有一个监视器锁，也称为内置锁或管程锁。
   • 当线程尝试获取对象的 synchronized 块或方法时，它必须首先获得该对象的监视器锁。

• 对象头（Object Header）：
  • Java 对象在内存中的布局包括对象头、实例数据和对齐填充。
  • 对象头中包含了一些元数据信息，其中就包括了锁的相关信息。
• 锁状态：
  • 锁有四种状态：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。
  • 这些状态会根据竞争情况自动升级。
• 偏向锁：
  • 偏向锁是一种优化，旨在减少只有一个线程访问同步块时的开销。
  • 当一个线程首次访问某个对象的 synchronized 块时，会在对象头中记录下当前线程的 ID。
  • 如果后续该线程再次访问同一个 synchronized 块，就不需要进行任何同步操作。
• 轻量级锁：
  • 当多个线程竞争同一个对象的锁时，偏向锁会升级为轻量级锁。
  • 轻量级锁通过自旋等待的方式尝试获取锁，而不是立即阻塞线程。
  • 如果自旋等待超过一定次数仍未获取到锁，则会升级为重量级锁。
• 重量级锁：
  • 当轻量级锁的自旋等待失败后，锁会升级为重量级锁。
  • 重量级锁会导致线程阻塞，并涉及到操作系统的线程调度，开销较大。
• 锁释放：
  • 当线程退出 synchronized 块或方法时，会释放锁。
  • 锁的释放会唤醒等待队列中的下一个线程。

示例代码

public class SynchronizedExample {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedExample example = new SynchronizedExample();

        Runnable task = () -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.increment();
            }
        };

        Thread t1 = new Thread(task);
        Thread t2 = new Thread(task);

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Final count: " + example.count);
    }
}

在这个示例中，increment 方法使用了 synchronized 关键字，确保了在多线程环境下对 count 变量的安全访问。

应用场景

• 多线程编程：在并发环境中保护共享资源，避免数据竞争和不一致。
• 单例模式：确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。
• 线程安全的集合类：如 ConcurrentHashMap 等。

遇到的问题及解决方法

问题：在高并发场景下，synchronized 可能会导致性能瓶颈。

解决方法：

• 使用 java.util.concurrent 包中的并发工具类，如 ReentrantLock、Semaphore 等。
• 尽量减小同步块的范围，只对必要的代码进行同步。
• 考虑使用读写锁（ReadWriteLock），在读多写少的场景下可以提高性能。

通过理解 synchronized 的底层实现原理和应用场景，可以更好地利用它来解决多线程编程中的问题。