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Java锁机制原理与底层实现详解

时间:2025-12-27 18:12:38 309浏览 收藏

你在学习文章相关的知识吗?本文《Java锁机制底层实现解析》,主要介绍的内容就涉及到,如果你想提升自己的开发能力,就不要错过这篇文章,大家要知道编程理论基础和实战操作都是不可或缺的哦!

锁的本质是控制临界资源的串行访问,核心目标为互斥、可见性与原子性;synchronized基于Monitor和对象头Mark Word实现,锁升级路径为无锁→偏向锁→轻量级锁→重量级锁;ReentrantLock基于AQS实现,支持更多高级特性;锁优化聚焦减少上下文切换,包括偏向锁、轻量级锁自旋、锁消除与粗化。

Java中的锁是如何实现的_Java锁机制底层原理解析

锁的本质是控制临界资源的串行访问

Java中加锁不是为了“锁住代码”,而是确保多个线程对同一块共享数据(比如一个int变量、一个List对象)的操作不会交错执行。核心目标就三个:互斥(同一时刻只允许一个线程进入)、可见性(一个线程改完,其他线程立刻能看到)、原子性(一连串操作不可被中断)。没有锁,两个线程同时执行 count++,很可能最终只加了1次而不是2次。

synchronized 的底层靠 Monitor 对象和对象头

每个Java对象在HotSpot虚拟机中都有一个“对象头”,其中的Mark Word区域会记录当前锁的状态:无锁、偏向锁、轻量级锁或重量级锁。synchronized 实际上是通过 JVM 内置的 Monitor(监视器)来工作的:

  • Monitor 包含 owner(持有锁的线程)、entry list(等待获取锁的线程队列)、wait set(调用 wait() 后挂起的线程队列)和计数器(支持重入)
  • 当线程进入 synchronized 块时,JVM 尝试用 CAS 修改 Mark Word,成功则获得轻量级锁;失败则可能升级为重量级锁,依赖操作系统 mutex
  • 锁的升级路径是:无锁 → 偏向锁(单线程反复进入)→ 轻量级锁(少量竞争,自旋等待)→ 重量级锁(高竞争,线程挂起)

ReentrantLock 依赖 AQS 队列同步器实现

ReentrantLock 是 JDK 层面的显式锁,不依赖 JVM 指令,而是基于 AbstractQueuedSynchronizer(AQS) 构建:

  • AQS 内部维护一个 volatile int 类型的 state(表示锁状态)和一个双向 FIFO 等待队列
  • 调用 lock() 时,线程先尝试 CAS 修改 state;失败则构造 Node 加入队列,并自旋或挂起
  • unlock() 则释放 state,并唤醒队列头节点;支持公平/非公平策略、可中断、超时获取、多条件变量(Condition)等高级能力
  • 它比 synchronized 更灵活,但需要手动 unlock(),否则容易死锁

锁优化的关键在于减少操作系统介入

真正昂贵的不是“加锁”动作本身,而是线程阻塞和唤醒带来的上下文切换开销。所以 Java 锁机制持续演进的核心逻辑是:

  • 偏向锁:假设“锁总被同一个线程多次获取”,首次获取后直接在 Mark Word 记录线程 ID,后续无需同步操作
  • 轻量级锁:有竞争但不激烈时,让线程在用户态自旋等待(忙等),避免进内核态挂起
  • 自旋 + 适应性:JVM 会根据历史表现动态调整自旋次数,避免空转耗电
  • 锁消除与锁粗化:JIT 编译器在运行期识别出不可能存在竞争的锁(如局部变量上的 synchronized),直接移除;或将多个连续的小同步块合并为一个大块

好了,本文到此结束,带大家了解了《Java锁机制原理与底层实现详解》,希望本文对你有所帮助!关注golang学习网公众号,给大家分享更多文章知识!

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