Java 中的 synchronized 關鍵字是保證線程安全的基本機制，隨著 JVM 的發展，它經歷了多次優化以提高性能。
1. 鎖升級機制（鎖膨脹）
JDK 1.6 引入了偏向鎖→輕量級鎖→重量級鎖的升級機制，避免了一開始就使用重量級鎖：
1.1 偏向鎖（Biased Locking）
- 優化場景：只有一個線程訪問同步塊
- 實現：在對象頭記錄偏向線程ID
- 優勢：幾乎無同步開銷
- 觸發升級：當有其他線程嘗試獲取鎖時
1.2 輕量級鎖（Thin Lock）
- 優化場景：多線程交替訪問但無競爭
- 實現：通過CAS操作和棧幀中的Lock Record實現
- 優勢：避免操作系統層面的線程阻塞
- 觸發升級：當自旋獲取鎖失敗（默認自旋10次）
1.3 重量級鎖（Heavyweight Lock）
- 場景：真正的高競爭情況
- 實現：通過操作系統的互斥量(mutex)實現
- 特點：線程會進入阻塞狀態
2. 自適應自旋鎖（Adaptive Spinning）
- 自旋次數不再固定，而是根據：
- 前一次在該鎖上的自旋成功情況
- 鎖擁有者的狀態
- 如果上次自旋成功，則增加自旋次數
- 如果很少成功，則可能直接跳過自旋
3. 鎖消除（Lock Elimination）
- 優化場景：JIT 編譯器通過逃逸分析確定對象不會逃逸當前線程
- 效果：完全移除不必要的同步操作
- 示例：
public void method() {Object lock = new Object(); // 局部對象，不會逃逸synchronized(lock) { // 會被優化掉// do something} }
4. 鎖粗化（Lock Coarsening）
- 優化場景：相鄰的同步塊使用同一個鎖
- 效果：合并多個同步塊為一個，減少鎖的獲取/釋放次數
- 示例：
// 優化前 synchronized(lock) { do1(); } synchronized(lock) { do2(); }// 優化后 synchronized(lock) { do1();do2(); }
5. 其他優化
5.1 偏向鎖延遲啟用
- 默認情況下，JVM 在啟動后4秒才啟用偏向鎖（通過
BiasedLockingStartupDelay參數配置） - 避免啟動階段大量競爭導致的偏向鎖撤銷開銷
5.2 批量重偏向（Bulk Rebias）
- 當一類鎖對象被多個線程交替使用，但未真正競爭時
- JVM 會批量重置這些對象的偏向鎖，而不是逐個撤銷
5.3 批量撤銷（Bulk Revoke）
- 當一類鎖對象的偏向模式不再有效時
- JVM 會一次性撤銷所有該類實例的偏向鎖
性能對比（JDK 1.6+ vs 早期版本）
| 場景 | 早期版本 | JDK 1.6+ 優化后 |
|---|---|---|
| 單線程訪問 | 重量級鎖開銷 | 偏向鎖零開銷 |
| 低競爭交替訪問 | 重量級鎖開銷 | 輕量級鎖CAS操作 |
| 短時間高競爭 | 線程立即阻塞 | 自旋嘗試獲取 |
| 長時間高競爭 | 線程阻塞 | 最終仍會阻塞 |
最佳實踐
- 減少同步范圍：只在必要代碼塊加鎖
- 降低鎖粒度：使用多個細粒度鎖而非一個大鎖
- 避免鎖嵌套：容易導致死鎖
- 考慮替代方案：在適當場景使用
java.util.concurrent包中的并發工具
這些優化使得 synchronized 在大多數場景下的性能已經接近或超過顯式鎖（如 ReentrantLock），同時保持了更好的安全性和易用性。
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