synchronized 是公平锁还是非公平锁

Synchronized 是 非公平锁，它是 Java 中最常见的同步机制之一。在 Java 中，synchronized 用于保护共享资源，确保同一时刻只有一个线程能访问某一代码块或方法。

1. 公平锁与非公平锁的区别

• 公平锁：线程按照请求锁的顺序获取锁，先请求的线程优先获取锁，不存在“插队”的现象。
• 非公平锁：线程请求锁时，可能会直接尝试获取锁，而不关心锁是否已有等待的线程队列，允许“插队”，这能提高性能，但可能导致某些线程长期得不到锁，出现线程饥饿的现象。

2. synchronized 的底层实现（非公平锁）

Synchronized 在 JVM 中的实现主要依赖于对象的对象头（Object Header）和Monitor机制。下面是它的核心机制与底层原理。

2.1 对象头

每个 Java 对象都包含一个 对象头，对象头中有一个叫做 Mark Word 的部分，这个字段包含了锁的状态信息。根据锁的状态，Mark Word 会动态改变其内容。

锁的状态分为以下几种：

1. 无锁（Unlocked）：对象没有被锁定。
2. 偏向锁（Biased Locking）：用于优化没有锁竞争的场景，锁偏向于第一个获取它的线程，直到有其他线程尝试获取锁，才会撤销偏向锁。
3. 轻量级锁（Lightweight Locking）：线程尝试获取锁时，如果没有其他线程竞争，使用轻量级锁。这个阶段通过CAS（Compare and Swap）操作实现快速加锁和解锁。
4. 重量级锁（Heavyweight Locking）：当线程竞争加剧时，会升级为重量级锁，进入内核态，通过操作系统的Monitor机制来实现阻塞和唤醒。

2.2 Monitor 机制

Monitor 是 synchronized 关键字的真正实现。每个 Java 对象都有一个隐式的 Monitor。当线程进入 synchronized 代码块时，它会尝试获取该对象的 Monitor。这个 Monitor 由 JVM 底层的操作系统实现，并涉及到线程阻塞和唤醒的机制。

Monitor 的具体实现依赖于平台，在 Linux 系统中，它通常会使用 pthread_mutex 或类似机制来实现。

Monitor 的工作原理如下：

1. 锁获取：
   • 当线程进入 synchronized 方法或代码块时，首先尝试获取 Monitor。如果当前 Monitor 没有被其他线程持有（即未锁定），线程会成功获取锁，进入临界区。
   • 如果 Monitor 已经被其他线程持有，则线程会进入阻塞状态，直到持有锁的线程释放锁。
2. 锁释放：
   • 当持有锁的线程退出 synchronized 代码块或方法时，释放锁。JVM 会唤醒阻塞队列中的一个等待线程，使其获取锁并继续执行。

3. 非公平锁的表现

synchronized 默认是非公平锁，即：

• 当一个线程释放锁后，等待锁的线程并不一定会按照请求顺序依次获取锁。可能存在后请求的线程“插队”成功获取锁，而先前排队的线程仍然在等待的情况。
• 这通过直接尝试获取锁来提高性能，尤其是在没有大量线程竞争的情况下，可以减少线程的上下文切换。

4. synchronized 的优化

在 JDK 1.6 及其之后，synchronized 引入了多种优化手段，提升了性能，尤其是在锁竞争较少的情况下。主要的优化包括以下几种：

4.1 偏向锁（Biased Locking）

偏向锁是一种锁优化机制，适用于无锁竞争的场景。它的原理是，当一个线程第一次获取锁时，会将锁“偏向”于该线程。如果该线程再次进入锁定的代码区域，不需要执行任何同步操作，只要简单检查是否偏向于当前线程。

偏向锁的释放发生在其他线程试图竞争该锁时，偏向锁会被撤销，并根据竞争情况升级为轻量级锁或重量级锁。

4.2 轻量级锁（Lightweight Locking）

轻量级锁是为了减少重量级锁的使用，避免线程阻塞带来的上下文切换开销。

其原理是：

• 当一个线程获取锁时，它会将对象头中的 Mark Word 拷贝到当前线程的栈帧中，并通过 CAS 操作尝试将对象头中的 Mark Word 修改为指向栈中锁记录的指针。如果成功，则表示加锁成功。
• 如果失败，说明存在锁竞争，轻量级锁会膨胀为重量级锁。

轻量级锁适用于竞争不激烈的情况。

4.3 自旋锁（Spin Lock）

自旋锁用于避免线程阻塞和唤醒带来的上下文切换开销。自旋锁的核心思想是，如果一个线程尝试获取锁时发现锁已经被占用，它不会立即阻塞，而是在一定的时间内循环检查锁是否被释放，这个过程被称为“自旋”。

自旋锁适合锁持有时间较短的场景，因为在这种情况下，线程可能很快就能获取到锁，避免了阻塞和上下文切换。

5. synchronized 和 ReentrantLock 的对比

Java 提供了另一种锁机制：ReentrantLock。它可以显式地控制锁的公平性，并且提供了更多的锁操作灵活性，例如：

• ReentrantLock 可以被显式声明为公平锁或非公平锁，公平锁会严格按照线程的请求顺序获取锁，避免“插队”现象。
• ReentrantLock 提供了条件锁（Condition），可以实现更复杂的等待/通知机制。

相比之下，synchronized 是一种隐式锁，它的非公平性是默认行为，无法通过配置改变。但在简单场景下，synchronized 的使用更加简洁。

6. 总结

• synchronized 是非公平锁，它通过对象头中的 Mark Word 记录锁状态，并通过偏向锁、轻量级锁和重量级锁的机制来进行加锁与解锁。
• 它的底层依赖于 JVM 的 Monitor 实现，利用操作系统的互斥锁机制来实现线程的同步与阻塞。
• 为了提高性能，synchronized 通过偏向锁、自旋锁和轻量级锁等多种机制进行了优化。
• 非公平锁的特点是提高了性能，但可能会出现线程“饥饿”的情况。