今天我们来和大家一起来一下关于这个锁的问题，为什么锁一直比较收到关注呢？因为在 Java 的锁机制能够保证安全，这时候有些朋友就会说，说线程安全，那么效率势必低下，很多时候就压根不需要使用，这说的也确实是对的，因为一般很多开发在日常工作中，很少会使用到，但是呢，在面试的过程中，会经常性的问题，今天我们就来聊聊一个老生常谈的一个面试题，Synchronized 的锁的升级过程。
为什么需要锁
Java中的锁是一种同步机制，可以确保多个线程之间共享资源的互斥访问，从而避免出现数据竞争和线程安全问题。使用锁的主要目的是保证代码的正确性和可靠性。
Java中的锁能够解决以下实际问题：
- 数据竞争：在多线程环境中，如果多个线程同时访问共享数据，就会产生数据竞争问题。使用锁可以确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源，避免数据竞争和数据不一致的问题。
- 线程安全：Java中的锁可以确保线程安全，避免多个线程之间的干扰和竞争，从而保证代码的正确性和可靠性。
- 性能优化：Java中的锁可以用于优化程序的性能，比如使用读写锁来实现对数据的读写分离，从而提高程序的并发性能。
- 死锁问题：Java中的锁可以用于避免死锁问题，比如使用一致性的加锁顺序，避免出现循环依赖的情况。
总之，Java中的锁机制是保证多线程并发安全的重要手段，可以用于解决数据竞争、线程安全、性能优化和死锁问题等实际问题。
Synchronized
synchronized是Java中的一个关键字，它提供了一种内置锁机制，用于确保多个线程在访问共享资源时的同步性。
使用方式
- 修饰方法：直接在方法声明上加上synchronized关键字，表示整个方法是同步的。此时，锁是当前实例对象（对于非静态方法）或Class对象（对于静态方法）。
- 修饰代码块：使用synchronized(object)来指定一个对象作为锁，只有持有该对象锁的线程才能进入synchronized块。这种方式可以更加灵活地控制需要同步的代码范围。
原理与特性
- 互斥性：当一个线程进入由synchronized修饰的代码块或方法时，它会获取对象的锁，其他试图进入该代码块或方法的线程将被阻塞，直到锁被释放。这确保了同一时间只有一个线程可以执行synchronized保护的代码段。
- 可重入性：对于同一个线程来说，synchronized块是可重入的，即一个线程可以多次获取同一个对象的锁。
- 可见性：synchronized保证了内存可见性，即当一个线程修改了共享变量的值后，其他线程能够立即看到这个修改。这是通过JVM的内存屏障指令实现的，确保了在获取锁之前和释放锁之后，相关的内存操作会被刷新到主内存或从主内存重新读取。
Synchronized 锁的升级过程
在Java中，synchronized关键字的锁升级过程是一个动态的过程，旨在提高并发性能并减少线程之间的争用。这个过程从最初的无锁状态开始，根据线程对锁的争用情况，逐步升级到更高级别的锁状态。
我们来看一下他的升级过程：
无锁状态
对象刚被创建时，没有线程对其加锁，此时处于无锁状态。
偏向锁
- 当第一个线程访问某个对象并尝试获取锁时，JVM会利用CAS（Compare-And-Swap）操作在对象的对象头（Mark Word）中记录下当前线程的ID和偏向锁标记位（通常设置为1）。
- 如果下一次还是这个线程访问该对象，则只需要检查对象头中的线程ID是否与自己的ID相同，如果相同则直接获得锁，无需再进行CAS操作。这种情况下，锁就保持在偏向锁状态，整个过程几乎没有任何性能开销。
- 如果在持有偏向锁期间，其他线程尝试访问该对象并获取锁，偏向锁会被撤销，并尝试升级为轻量级锁。
轻量级锁
- 当偏向锁被撤销后，锁会升级到轻量级锁状态。
- 在轻量级锁状态下，JVM会在当前线程的栈帧中创建一个锁记录（Lock Record），并将对象头中的Mark Word复制到该锁记录中，同时对象头中会有一个指针指向这个锁记录。
- 当前线程会进入自旋（Spinning）状态，即不断尝试重新获取锁，而不是立即阻塞。自旋的目的是为了避免线程切换带来的性能开销，因为线程切换涉及到操作系统层面的操作，开销相对较大。
- 如果自旋过程中成功获取到锁，则继续执行后续代码；如果自旋超过一定次数（通常是10次）仍未获取到锁，或者有其他线程参与锁竞争，则轻量级锁会膨胀为重量级锁。
重量级锁
- 当轻量级锁无法满足并发需求时，锁会升级为重量级锁。
- 在重量级锁状态下，如果当前线程未获取到锁，则会进入阻塞状态，等待其他线程释放锁。当锁被释放后，阻塞的线程会被唤醒并重新尝试获取锁。
- 重量级锁的实现依赖于操作系统的互斥量（Mutex）或其他同步机制，因此涉及到用户态和内核态的切换，开销相对较大。
总结
- synchronized的锁升级过程是从无锁状态开始，根据线程对锁的争用情况逐步升级到偏向锁、轻量级锁和重量级锁的过程。
- 偏向锁和轻量级锁是JVM为了提高并发性能而引入的优化措施，它们可以减少线程切换带来的性能开销。
- 重量级锁是当轻量级锁无法满足并发需求时的最终选择，它依赖于操作系统的同步机制来实现。
你对Synchronized的升级过程了解了么？
