Java-锁

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锁

Java 中的锁而言，一把锁也有可能同时占有多个标准，符合多种分类，比如 ReentrantLock 既是可中断锁，又是可重入锁。

根据分类标准我们把锁分为以下 7 大类别，分别是：

  • 偏向锁/轻量级锁/重量级锁；
  • 可重入锁/非可重入锁；
  • 共享锁/独占锁；
  • 公平锁/非公平锁；
  • 悲观锁/乐观锁；
  • 自旋锁/非自旋锁；
  • 可中断锁/不可中断锁

偏向锁/轻量级锁/重量级锁

第一种分类是偏向锁/轻量级锁/重量级锁，这三种锁特指 synchronized 锁的状态，通过在对象头中的 mark word 来表明锁的状态。

  • 偏向锁

如果自始至终，对于这把锁都不存在竞争，那么其实就没必要上锁，只需要打个标记就行了，这就是偏向锁的思想。一个对象被初始化后，还没有任何线程来获取它的锁时，那么它就是可偏向的，当有第一个线程来访问它并尝试获取锁的时候，它就将这个线程记录下来，以后如果尝试获取锁的线程正是偏向锁的拥有者，就可以直接获得锁，开销很小，性能最好。

  • 轻量级锁

JVM 开发者发现在很多情况下，synchronized 中的代码是被多个线程交替执行的，而不是同时执行的，也就是说并不存在实际的竞争，或者是只有短时间的锁竞争，用 CAS 就可以解决，这种情况下，用完全互斥的重量级锁是没必要的。轻量级锁是指当锁原来是偏向锁的时候，被另一个线程访问，说明存在竞争，那么偏向锁就会升级为轻量级锁，线程会通过自旋的形式尝试获取锁，而不会陷入阻塞。

  • 重量级锁

重量级锁是互斥锁，它是利用操作系统的同步机制实现的，所以开销相对比较大。当多个线程直接有实际竞争，且锁竞争时间长的时候，轻量级锁不能满足需求，锁就会膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请却拿不到锁的线程进入阻塞状态。

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综上所述，偏向锁性能最好，可以避免执行 CAS 操作。而轻量级锁利用自旋和 CAS 避免了重量级锁带来的线程阻塞和唤醒，性能中等。重量级锁则会把获取不到锁的线程阻塞，性能最差

可重入锁/非可重入锁

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共享锁/独占锁

共享锁指的是我们同一把锁可以被多个线程同时获得，而独占锁指的就是，这把锁只能同时被一个线程获得。我们的读写锁，就最好地诠释了共享锁和独占锁的理念。读写锁中的读锁，是共享锁，而写锁是独占锁。读锁可以被同时读，可以同时被多个线程持有，而写锁最多只能同时被一个线程持有

公平锁/非公平锁

公平锁的公平的含义在于如果线程现在拿不到这把锁，那么线程就都会进入等待，开始排队，在等待队列里等待时间长的线程会优先拿到这把锁，有先来先得的意思。而非公平锁就不那么“完美”了，它会在一定情况下，忽略掉已经在排队的线程，发生插队现象

悲观锁/乐观锁

悲观锁的概念是在获取资源之前，必须先拿到锁，以便达到“独占”的状态，当前线程在操作资源的时候，其他线程由于不能拿到锁，所以其他线程不能来影响我。而乐观锁恰恰相反，它并不要求在获取资源前拿到锁，也不会锁住资源；相反，乐观锁利用 CAS 理念，在不独占资源的情况下，完成了对资源的修改。

自旋锁/非自旋锁

自旋锁的理念是如果线程现在拿不到锁，并不直接陷入阻塞或者释放 CPU 资源，而是开始利用循环，不停地尝试获取锁，这个循环过程被形象地比喻为“自旋”，就像是线程在“自我旋转”。相反，非自旋锁的理念就是没有自旋的过程，如果拿不到锁就直接放弃，或者进行其他的处理逻辑，例如去排队、陷入阻塞等

可中断锁/不可中断锁

在 Java 中，synchronized 关键字修饰的锁代表的是不可中断锁，一旦线程申请了锁，就没有回头路了，只能等到拿到锁以后才能进行其他的逻辑处理。而我们的 ReentrantLock 是一种典型的可中断锁，例如使用 lockInterruptibly 方法在获取锁的过程中，突然不想获取了，那么也可以在中断之后去做其他的事情，不需要一直傻等到获取到锁才离开

悲观锁/乐观锁本质

悲观锁比较悲观，它认为如果不锁住这个资源，别的线程就会来争抢，就会造成数据结果错误，所以悲观锁为了确保结果的正确性，会在每次获取并修改数据时，都把数据锁住，让其他线程无法访问该数据，这样就可以确保数据内容万无一失

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synchronized 背后的“monitor 锁”

获取和释放 monitor 锁的时机

最简单的同步方式就是利用 synchronized 关键字来修饰代码块或者修饰一个方法，那么这部分被保护的代码，在同一时刻就最多只有一个线程可以运行，而 synchronized 的背后正是利用 monitor 锁实现的。所以首先我们来看下获取和释放 monitor 锁的时机，每个 Java 对象都可以用作一个实现同步的锁，这个锁也被称为内置锁或 monitor 锁，获得 monitor 锁的唯一途径就是进入由这个锁保护的同步代码块或同步方法，线程在进入被 synchronized 保护的代码块之前，会自动获取锁，并且无论是正常路径退出，还是通过抛出异常退出，在退出的时候都会自动释放锁。

synchronized 和 Lock 如何选择？

相同点

synchronized 和 Lock 的相同点非常多，我们这里重点讲解 3 个比较大的相同点。

1.synchronized 和 Lock 都是用来保护资源线程安全的。

2.都可以保证可见性。

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对于 synchronized 而言，线程 A 在进入 synchronized 块之前或在 synchronized 块内进行操作，对于后续的获得同一个 monitor 锁的线程 B 是可见的，也就是线程 B 是可以看到线程 A 之前的操作的，这也体现了 happens-before 针对 synchronized 的一个原则

而对于 Lock 而言，它和 synchronized 是一样，都可以保证可见性，如图所示，在解锁之前的所有操作对加锁之后的所有操作都是可见的
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3.synchronized 和 ReentrantLock 都拥有可重入的特点

ReentrantLock 是 Lock 接口的一个最主要的实现类，在对比 synchronized 和 Lock 的时候，也会选择 Lock 的主要实现类来进行对比。可重入指的是某个线程如果已经获得了一个锁，现在试图再次请求这个它已经获得的锁，如果它无需提前释放这个锁，而是直接可以继续使用持有的这个锁，那么就是可重入的。如果必须释放锁后才能再次申请这个锁，就是不可重入的。而 synchronized 和 ReentrantLock 都具有可重入的特性

不同点

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  • 加解锁顺序不同

对于 Lock 而言如果有多把 Lock 锁，Lock 可以不完全按照加锁的反序解锁，比如我们可以先获取 Lock1 锁，再获取 Lock2 锁，解锁时则先解锁 Lock1，再解锁 Lock2，加解锁有一定的灵活度，如代码所示。

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lock1.lock();

lock2.lock();

...

lock1.unlock();

lock2.unlock();

但是 synchronized 无法做到，synchronized 解锁的顺序和加锁的顺序必须完全相反，例如：

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synchronized(obj1){

    synchronized(obj2){

        ...

    }

}

那么在这里，顺序就是先对 obj1 加锁，然后对 obj2 加锁，然后对 obj2 解锁，最后解锁 obj1。这是因为 synchronized 加解锁是由 JVM 实现的，在执行完 synchronized 块后会自动解锁，所以会按照 synchronized 的嵌套顺序加解锁，不能自行控制。

  • synchronized 锁不够灵活

一旦 synchronized 锁已经被某个线程获得了，此时其他线程如果还想获得，那它只能被阻塞，直到持有锁的线程运行完毕或者发生异常从而释放这个锁。如果持有锁的线程持有很长时间才释放，那么整个程序的运行效率就会降低，而且如果持有锁的线程永远不释放锁，那么尝试获取锁的线程只能永远等下去。

相比之下，Lock 类在等锁的过程中，如果使用的是 lockInterruptibly 方法，那么如果觉得等待的时间太长了不想再继续等待，可以中断退出，也可以用 tryLock() 等方法尝试获取锁，如果获取不到锁也可以做别的事，更加灵活。

  • synchronized 锁只能同时被一个线程拥有，但是 Lock 锁没有这个限制

例如在读写锁中的读锁，是可以同时被多个线程持有的，可是 synchronized 做不到。

如何选择

讲完了 synchronized 和 Lock 的相同点和区别，最后我们再来看下如何选择它们，在 Java 并发编程实战和 Java 核心技术里都认为：

如果能不用最好既不使用 Lock 也不使用 synchronized。因为在许多情况下你可以使用 java.util.concurrent 包中的机制，它会为你处理所有的加锁和解锁操作，也就是推荐优先使用工具类来加解锁。

如果 synchronized 关键字适合你的程序， 那么请尽量使用它，这样可以减少编写代码的数量，减少出错的概率。因为一旦忘记在 finally 里 unlock，代码可能会出很大的问题，而使用 synchronized 更安全。

如果特别需要 Lock 的特殊功能，比如尝试获取锁、可中断、超时功能等，才使用 Lock

Lock常用方法

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public interface Lock {

    void lock();

    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

    boolean tryLock();

    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    void unlock();

    Condition newCondition();

}

接下来重点分析这 5 种方法的作用和用法，这 5 种方法分别是 lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit) 和 lockInterruptibly()、unlock()。

lock() 方法

在 Lock 接口中声明了 4 种方法来获取锁（lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()），那么这 4 种方法具体有什么区别呢？

首先，lock() 是最基础的获取锁的方法。在线程获取锁时如果锁已被其他线程获取，则进行等待，是最初级的获取锁的方法。

对于 Lock 接口而言，获取锁和释放锁都是显式的，不像 synchronized 那样是隐式的，所以 Lock 不会像 synchronized 一样在异常时自动释放锁（synchronized 即使不写对应的代码也可以释放），lock 的加锁和释放锁都必须以代码的形式写出来，所以使用 lock() 时必须由我们自己主动去释放锁，因此最佳实践是执行 lock() 后，首先在 try{} 中操作同步资源，如果有必要就用 catch{} 块捕获异常，然后在 finally{} 中释放锁，以保证发生异常时锁一定被释放，示例代码如下所示。

公平锁与非公平锁 为什么需要非公平锁？

对比公平和非公平的优缺点

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公平锁的优点在于各个线程公平平等，每个线程等待一段时间后，都有执行的机会，而它的缺点就在于整体执行速度更慢，吞吐量更小，相反非公平锁的优势就在于整体执行速度更快，吞吐量更大，但同时也可能产生线程饥饿问题，也就是说如果一直有线程插队，那么在等待队列中的线程可能长时间得不到运行。

  • 源码分析

在 ReentrantLock 类包含一个 Sync 类，这个类继承自AQS（AbstractQueuedSynchronizer），代码如下：

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public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {

 

private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;

 

/** Synchronizer providing all implementation mechanics */

 

private final Sync sync;

Sync 类的代码：

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abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {...}

根据代码可知，Sync 有公平锁 FairSync 和非公平锁 NonfairSync两个子类：

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static final class NonfairSync extends Sync {...}

static final class FairSync extends Sync {...}

公平锁与非公平锁的加锁方法的源码

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protected final boolean tryAcquire(int acquires) {

    final Thread current = Thread.currentThread();

    int c = getState();

    if (c == 0) {

        if (!hasQueuedPredecessors() && //这里判断了 hasQueuedPredecessors()

                compareAndSetState(0, acquires)) {

            setExclusiveOwnerThread(current);

            return true;

        }

    } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {

        int nextc = c + acquires;

        if (nextc < 0) {

            throw new Error("Maximum lock count exceeded");

        }

        setState(nextc);

        return true;

    }

    return false;

}

非公平锁的锁获取源码如下：

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final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {

    final Thread current = Thread.currentThread();

    int c = getState();

    if (c == 0) {

        if (compareAndSetState(0, acquires)) { //这里没有判断      hasQueuedPredecessors()

            setExclusiveOwnerThread(current);

            return true;

        }

    }

    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {

        int nextc = c + acquires;

        if (nextc < 0) // overflow

        throw new Error("Maximum lock count exceeded");

        setState(nextc);

        return true;

    }

    return false;

}

我们可以明显的看出公平锁与非公平锁的 lock() 方法唯一的区别就在于公平锁在获取锁时多了一个限制条件：hasQueuedPredecessors() 为 false，这个方法就是判断在等待队列中是否已经有线程在排队了。这也就是公平锁和非公平锁的核心区别，如果是公平锁，那么一旦已经有线程在排队了，当前线程就不再尝试获取锁；对于非公平锁而言，无论是否已经有线程在排队，都会尝试获取一下锁，获取不到的话，再去排队。

这里有一个特例需要我们注意，针对 tryLock() 方法，它不遵守设定的公平原则。

例如，当有线程执行 tryLock() 方法的时候，一旦有线程释放了锁，那么这个正在 tryLock 的线程就能获取到锁，即使设置的是公平锁模式，即使在它之前已经有其他正在等待队列中等待的线程，简单地说就是 tryLock 可以插队。

看它的源码就会发现：

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public boolean tryLock() {

    return sync.nonfairTryAcquire(1);

}

这里调用的就是 nonfairTryAcquire()，表明了是不公平的，和锁本身是否是公平锁无关。

公平锁就是会按照多个线程申请锁的顺序来获取锁，从而实现公平的特性。非公平锁加锁时不考虑排队等待情况，直接尝试获取锁，所以存在后申请却先获得锁的情况，但由此也提高了整体的效率。

读写锁

在没有读写锁之前，我们假设使用普通的 ReentrantLock，那么虽然我们保证了线程安全，但是也浪费了一定的资源，因为如果多个读操作同时进行，其实并没有线程安全问题，我们可以允许让多个读操作并行，以便提高程序效率。

但是写操作不是线程安全的，如果多个线程同时写，或者在写的同时进行读操作，便会造成线程安全问题。

整体思路是它有两把锁，第 1 把锁是写锁，获得写锁之后，既可以读数据又可以修改数据，而第 2 把锁是读锁，获得读锁之后，只能查看数据，不能修改数据。读锁可以被多个线程同时持有，所以多个线程可以同时查看数据。

读写锁的获取规则

我们在使用读写锁时遵守下面的获取规则：

1.如果有一个线程已经占用了读锁，则此时其他线程如果要申请读锁，可以申请成功。

2.如果有一个线程已经占用了读锁，则此时其他线程如果要申请写锁，则申请写锁的线程会一直等待释放读锁，因为读写不能同时操作。

3.如果有一个线程已经占用了写锁，则此时其他线程如果申请写锁或者读锁，都必须等待之前的线程释放写锁，同样也因为读写不能同时，并且两个线程不应该同时写。

一句话总结：要么是一个或多个线程同时有读锁，要么是一个线程有写锁，但是两者不会同时出现。也可以总结为：读读共享、其他都互斥（写写互斥、读写互斥、写读互斥）

案例

ReentrantReadWriteLock 是 ReadWriteLock 的实现类，最主要的有两个方法：readLock() 和 writeLock() 用来获取读锁和写锁。

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/**

* 描述： 演示读写锁用法

*/

public class ReadWriteLockDemo {

private static final ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(

false);

private static final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = reentrantReadWriteLock

.readLock();

private static final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = reentrantReadWriteLock

.writeLock();

private static void read() {

readLock.lock();

try {

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到读锁，正在读取");

Thread.sleep(500);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

} finally {

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放读锁");

readLock.unlock();

}

}

private static void write() {

writeLock.lock();

try {

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到写锁，正在写入");

Thread.sleep(500);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

} finally {

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放写锁");

writeLock.unlock();

}

}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

new Thread(() -> read()).start();

new Thread(() -> read()).start();

new Thread(() -> write()).start();

new Thread(() -> write()).start();

}

}

总结ReentrantReadWriteLock

  • 插队策略
  1. 公平策略下，只要队列里有线程已经在排队，就不允许插队。

2.非公平策略下：

1).如果允许读锁插队，那么由于读锁可以同时被多个线程持有，所以可能造成源源不断的后面的线程一直插队成功，导致读锁一直不能完全释放，从而导致写锁一直等待，为了防止“饥饿”，在等待队列的头结点是尝试获取写锁的线程的时候，不允许读锁插队

2).写锁可以随时插队，因为写锁并不容易插队成功，写锁只有在当前没有任何其他线程持有读锁和写锁的时候，才能插队成功，同时写锁一旦插队失败就会进入等待队列，所以很难造成“饥饿”的情况，允许写锁插队是为了提高效率。

  • 升降级策略：

只能从写锁降级为读锁，不能从读锁升级为写锁。

自旋锁

自旋锁:

“自旋”可以理解为“自我旋转”，这里的“旋转”指“循环”，比如 while 循环或者 for 循环。“自旋”就是自己在这里不停地循环，直到目标达成。而不像普通的锁那样，如果获取不到锁就进入阻塞

|-> 对比自旋和非自旋的获取锁的流程

image.png

|-> 自旋锁的好处

首先，阻塞和唤醒线程都是需要高昂的开销的，如果同步代码块中的内容不复杂，那么可能转换线程带来的开销比实际业务代码执行的开销还要大。

在很多场景下，可能我们的同步代码块的内容并不多，所以需要的执行时间也很短，如果我们仅仅为了这点时间就去切换线程状态，那么其实不如让线程不切换状态，而是让它自旋地尝试获取锁，等待其他线程释放锁，有时我只需要稍等一下，就可以避免上下文切换等开销，提高了效率。

那就是自旋锁用循环去不停地尝试获取锁，让线程始终处于 Runnable 状态，节省了线程状态切换带来的开销

案例： 可重入的自旋锁

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package lesson27;

 

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

import java.util.concurrent.locks.Lock;

 

/**

 * 描述：     实现一个可重入的自旋锁

 */

public class ReentrantSpinLock  {

 

    private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>();

 

    //重入次数

    private int count = 0;

 

    public void lock() {

        Thread t = Thread.currentThread();

        if (t == owner.get()) {

            ++count;

            return;

        }

        //自旋获取锁

        while (!owner.compareAndSet(null, t)) {

            System.out.println("自旋了");

        }

    }

 

    public void unlock() {

        Thread t = Thread.currentThread();

        //只有持有锁的线程才能解锁

        if (t == owner.get()) {

            if (count > 0) {

                --count;

            } else {

                //此处无需CAS操作，因为没有竞争，因为只有线程持有者才能解锁

                owner.set(null);

            }

        }

    }

 

    public static void main(String[] args) {

        ReentrantSpinLock spinLock = new ReentrantSpinLock();

        Runnable runnable = new Runnable() {

            @Override

            public void run() {

                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始尝试获取自旋锁");

                spinLock.lock();

                try {

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到了自旋锁");

                    Thread.sleep(4000);

                } catch (InterruptedException e) {

                    e.printStackTrace();

                } finally {

                    spinLock.unlock();

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了了自旋锁");

                }

            }

        };

        Thread thread1 = new Thread(runnable);

        Thread thread2 = new Thread(runnable);

        thread1.start();

        thread2.start();

    }

}
  • 缺点

最大的缺点就在于虽然避免了线程切换的开销，但是它在避免线程切换开销的同时也带来了新的开销，因为它需要不停得去尝试获取锁。如果这把锁一直不能被释放，那么这种尝试只是无用的尝试，会白白浪费处理器资源。也就是说，虽然一开始自旋锁的开销低于线程切换，但是随着时间的增加，这种开销也是水涨船高，后期甚至会超过线程切换的开销，得不偿失。

  • 适用场景

自旋锁适用于并发度不是特别高的场景，以及临界区比较短小的情况，这样我们可以利用避免线程切换来提高效率

可是如果临界区很大，线程一旦拿到锁，很久才会释放的话，那就不合适用自旋锁，因为自旋会一直占用 CPU 却无法拿到锁，白白消耗资源

JVM 锁优化

相比于 JDK 1.5，在 JDK 1.6 中 HotSopt 虚拟机对 synchronized 内置锁的性能进行了很多优化，包括自适应的自旋、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等。有了这些优化措施后，synchronized 锁的性能得到了大幅提高，下面我们分别介绍这些具体的优化

自适应自旋锁

在 JDK 1.6 中引入了自适应的自旋锁来解决长时间自旋的问题。自适应意味着自旋的时间不再固定，而是会根据最近自旋尝试的成功率、失败率，以及当前锁的拥有者的状态等多种因素来共同决定。自旋的持续时间是变化的，自旋锁变“聪明”了。比如，如果最近尝试自旋获取某一把锁成功了，那么下一次可能还会继续使用自旋，并且允许自旋更长的时间；但是如果最近自旋获取某一把锁失败了，那么可能会省略掉自旋的过程，以便减少无用的自旋，提高效率

锁消除

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@Override

public synchronized StringBuffer append(Object obj) {

    toStringCache = null;

    super.append(String.valueOf(obj));

    return this;

}

从代码中可以看出，这个方法是被 synchronized 修饰的同步方法，因为它可能会被多个线程同时使用。

但是在大多数情况下，它只会在一个线程内被使用，如果编译器能确定这个 StringBuffer 对象只会在一个线程内被使用，就代表肯定是线程安全的，那么我们的编译器便会做出优化，把对应的 synchronized 给消除，省去加锁和解锁的操作，以便增加整体的效率。

粗化锁

如果我们释放了锁，紧接着什么都没做，又重新获取锁，例如下面这段代码所示：

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java复制代码
public void lockCoarsening() {

    synchronized (this) {

        //do something

    }

    synchronized (this) {

        //do something

    }

    synchronized (this) {

        //do something

    }

}

其实这种释放和重新获取锁是完全没有必要的，如果我们把同步区域扩大，也就是只在最开始加一次锁，并且在最后直接解锁，那么就可以把中间这些无意义的解锁和加锁的过程消除，相当于是把几个 synchronized 块合并为一个较大的同步块。这样做的好处在于在线程执行这些代码时，就无须频繁申请与释放锁了，这样就减少了性能开销。

不过，我们这样做也有一个副作用，那就是我们会让同步区域变大。如果在循环中我们也这样做，如代码所示:

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JAVA复制代码
for (int i = 0; i < 1000; i++) {

    synchronized (this) {

        //do something

    }

}

也就是我们在第一次循环的开始，就开始扩大同步区域并持有锁，直到最后一次循环结束，才结束同步代码块释放锁的话，这就会导致其他线程长时间无法获得锁。所以，这里的锁粗化不适用于循环的场景，仅适用于非循环的场景。

锁粗化功能是默认打开的，用 -XX:-EliminateLocks 可以关闭该功能。

偏向锁/轻量级锁/重量级锁

这三种锁是特指 synchronized 锁的状态的，通过在对象头中的 mark word 来表明锁的状态

image.png

本文转载自: 掘金

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