Synchronized、ReentrantLock 和 ReadWriteLock底层原理

Synchronized 底层原理

1. JVM 层面的实现

? synchronized 是 Java 中的一个关键字，它提供了一种简单的策略来实现线程同步。在 JVM 层面，synchronized 可以依赖于对象内部的监视器锁（monitor lock）来实现同步。

• 锁的获取与释放：当一个线程进入?synchronized?修饰的方法或代码块时，它会自动获取锁，退出时自动释放锁。
• 对象头：Java 对象头中有一部分是用来实现锁的功能，称为 Mark Word。在运行时，Mark Word 中的信息会被用来存储锁的状态或者指向锁记录（Lock Record）的指针。
• 锁的状态：锁可以处于无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态或重量级锁状态。随着竞争的增加，锁可以升级，但不会降级。

2. 锁的升级过程

• 偏向锁：当没有竞争出现时，默认开启偏向锁，它会偏向于第一个获取它的线程，减少之后的同步操作。
• 轻量级锁：当有其他线程尝试获取已被偏向的锁时，偏向锁会升级为轻量级锁，此时线程会在对象头上的 Mark Word 中创建锁记录。
• 重量级锁：当锁处于轻量级状态下，如果有更多线程加入竞争，轻量级锁会膨胀为重量级锁，此时线程会进入阻塞状态，等待操作系统的调度。

ReentrantLock 底层原理

1. Java API 层面的控制

? ReentrantLock 是 Java 中 java.util.concurrent.locks 包下的一个类。它提供了比 synchronized 更丰富的锁操作功能。

• 显式锁操作：使用?ReentrantLock?时，需要显示地调用?lock()?和?unlock()?方法来获取和释放锁。
• 可重入性：ReentrantLock?支持可重入，即同一个线程可以多次获得同一把锁。

2. AQS（AbstractQueuedSynchronizer）框架

? ReentrantLock 的实现依赖于 AQS，这是一个用于构建锁和其他同步组件的框架。

• 状态变量：AQS 内部有一个整型的状态变量来表示锁的状态。
• 节点队列：AQS 使用一个双向链表（称为 CLH 队列）来管理线程的排队工作。
• 独占模式：ReentrantLock?在 AQS 的基础上实现了独占模式，即任何时刻只有一个线程持有锁。

ReadWriteLock 底层原理

1. 分离读写操作

? ReadWriteLock 是一个接口，它的实现类（如 ReentrantReadWriteLock）允许多个线程同时读取，但只有一个线程可以写入。

• 读锁和写锁：ReadWriteLock?提供了两种锁：读锁（共享锁）和写锁（独占锁）。

2. 基于 AQS 实现

? ReentrantReadWriteLock 的实现也是基于 AQS，但是它使用了 AQS 的共享模式。

• 状态变量的特殊使用：AQS 状态变量的高位表示写锁状态，低位表示读锁的数量。
• 锁降级：支持写锁降级为读锁，即持有写锁的线程可以获取读锁，然后释放写锁，这在某些情况下可以减少锁竞争。

总结

? Synchronized、ReentrantLock 和 ReadWriteLock 都是用于实现线程同步的机制，但它们的实现原理和适用场景有所不同。Synchronized 是基于 JVM 实现的内置锁机制，而 ReentrantLock 和 ReadWriteLock 是基于 Java API 层面，通过 AQS 框架来实现更复杂的锁操作和同步控制。