谈谈Java中synchronize的用法及其原理

Java面试题：谈谈Java中synchronize的用法及其原理？

得分点：

作用于三个位置、对象头、锁升级

标准回答：

synchronized在Java中可以作用在三个不同的位置，分别对应三种不同的使用方式，这三种方式的区别在于锁对象的不同选择：

1. 当synchronized作用在静态方法上时，锁对象是当前类的Class对象。
2. 当synchronized作用在普通方法上时，锁对象是当前实例（即this）。
3. 当synchronized作用在代码块上时，需要在关键字后的小括号中显式指定一个对象作为锁对象。

根据要锁定的范围，应准确选择锁对象以确定锁的粒度，以降低锁带来的性能开销。

synchronized的底层实现是依赖Java对象头来存储锁信息的，Java对象头包含三部分：Mark Word（标记字）、Class Metadata Address（类元数据地址）、Array length（数组长度，仅用于数组对象）。其中，Mark Word用于存储对象的hashCode以及锁信息。synchronized的锁信息包括锁的标志和锁的状态，这些信息存放在对象头的Mark Word部分。

锁的升级机制是Java中的一个重要优化策略，它旨在根据线程竞争情况逐步升级锁的状态以提高效率。从Java 6开始，锁被分为四种状态，从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态。锁可以升级但不能降级，这是为了减小锁竞争带来的性能开销。

加分回答：

锁升级的过程可以根据实际场景来说明：

1. 初始阶段，没有线程访问同步块，同步块处于无锁状态。
2. 线程1访问同步块，尝试加偏向锁，由于没有竞争，偏向锁加锁成功，此时Mark Word存储线程1的ID。
3. 线程2访问同步块，尝试加偏向锁，但因为存在竞争，偏向锁加锁失败，触发偏向锁的撤销过程，将锁恢复到可竞争状态。
4. 线程1和线程2共同竞争，尝试加轻量级锁，假设线程1成功获取锁，但线程2不放弃，继续自旋等待。
5. 如果线程1很快执行完，线程2也会加轻量级锁成功，锁不会升级为重量级锁。如果线程1执行时间较长，线程2放弃自旋后，会发起锁膨胀的过程，将锁升级为重量级锁，线程2进入阻塞状态。

总之，锁升级的机制使锁根据竞争情况逐步升级，只有在竞争激烈时才升级为重量级锁，以减小锁带来的性能开销。这是多线程编程中的重要性能优化策略。

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