【高薪程序员必看】万字长文拆解Java并发编程！(4-1)：悲观锁底层原理与性能优化实战

在多线程环境下，当你的转账操作被重复提交💸、库存被超卖📉、计数器结果离奇错误❌时，背后往往是因为缺乏合理的锁控制。而悲观锁作为Java并发中最「简单粗暴」的解决方案，从JDK1.0时代的重量级锁⛓️，到如今JVM层级的锁升级优化⚡，其底层实现堪称一部高性能并发的发展史📜。

本文将带你穿透**synchronized关键字**的表面语法，直击三大核心问题💡：

1. ​**🤔 为什么悲观锁能保证线程安全？**​（从Java对象头到Monitor的硬件级协作）
2. ​**⚡ JDK1.6后synchronized如何实现性能飞跃？**​（偏向锁/轻量级锁的取舍智慧）
3. ​**🚫 高并发场景下如何规避锁的性能陷阱？**​（从字节码层面理解锁膨胀的条件）

📌 举个真实案例：某电商平台在秒杀活动中使用synchronized导致TPS从8000📈暴跌到300📉，最终通过缩小锁粒度+锁分离优化提升15倍性能🚀——我们将在文中用代码还原这个优化过程。

下面我们直接切入正题，从操作系统与JVM的协作契约🤝开始讲起！

4. 有锁并发-悲观锁

4.1. 悲观锁思想

悲观锁：假设其他线程会修改共享资源，在进入同步代码块时就加上锁，防止其他线程的干扰。但是如果竞争激烈，就会发生线程上下文切换，性能相对低。

4.2. Synchronized

synchronized关键字,基于Monitor实现,用于实现多线程之间的同步,是悲观锁

synchronized的执行流程:

1. 第一个线程获取对象锁执行同步代码块
2. 其他想要获取对象锁进入同步代码块的线程进入阻塞状态
3. 第一个线程退出同步代码块释放锁后,会唤醒阻塞中的线程
4. 被唤醒的线程进行非公平的锁争抢,抢到锁的线程执行同步代码块,其他线程继续阻塞

synchronized的特性:

1. 原子性(Atomicity)：synchronized保证同时只能有一个线程执行同步代码块，对共享数据的操作是原子的。
2. 可见性(Visibility)：一个线程执行synchronized同步代码块时，会先获取主内存中的数据到工作内存中，修改共享资源，退出同步代码块时，会将工作内存中的数据刷新到主内存中，保证数据的可见性。
3. 有序性(Ordering)：synchronized会禁止JVM对字节码指令重排优化，保证线程执行的有序性。

synchronized的作用范围：

1. 成员方法：synchronized修饰成员方法时，锁住的是当前对象实例。
2. 静态方法：synchronized修饰静态方法时，锁定的是当前类的Class对象。
3. 代码块：synchronized修饰代码块时，锁定的是指定的对象。

多线程只有获取同一个对象的锁才能起到同步互斥的效果

JDK1.6之前synchronized是重量级锁,jdk1.6之后对synchronized做了一系列优化,加入了偏向锁和轻量级锁,优化了线程上下文切换的性能

4.3. Java对象头

synchronized是悲观锁,在操作共享资源之前需要先加锁,加的锁就存在于Java对象头中.

Hotspot虚拟机中的对象头主要包含两部分数据:Mark Word(标记字段)和Klass Pointer(类型指针)

• Mark Word:存储对象的hashcode,分代年龄,锁标志位信息.这些信息跟对象自定定义无关,所以Mark Word被设计为非固定的数据结构以便在极小的空间中存储多的数据,它会根据对象的状态复用空间,也就是说在运行期间,Mark Word中的存储数据会跟着锁标志位变化而变化

• Klass Pointer:指向类元数据的指针,用于确定当前对象是哪个类的实例

4.4. Monitor

Monitor是一种同步机制,依赖于操作系统底层的Mutex Lock(同步锁)来实现同步，在Java中，每一个Java对象都会关联一个Monitor对象，synchronized关键字就是通过Monitor来实现线程同步的，是重量级锁

Monitor的组成部分:

• owner(所有者)：用于存放当前拥有了Monitor对象的线程,也就是拥有对象锁的线程,只有owner线程才能执行同步代码块.
• waitlist(等待队列)：用于存放因调用了wait方法而处于等待中的线程,同时释放该对象锁
• EntryList(入口队列)：用于存放尝试获取对象锁未成功而处于阻塞状态中的线程,当owner释放对象锁时,会唤醒EntryList中的线程来竞争对象锁,成功者成为会owner,失败者则继续等待

Monitor的执行流程:

1. 第一个进入synchronized代码块的线程，首先尝试获取对象锁，如果锁是空闲状态，则获取到锁，成为owner。如果锁已被其他线程占用，则进入阻塞
2. 其他访问synchronized代码块的线程尝试获取对象锁未成功,处于阻塞状态,进入EntryList队列,等待对象锁的释放
3. synchronized代码块执行完毕后，会释放该对象锁,同时唤醒EntryList中阻塞的线程来竞争对象锁,竞争成功的线程成为新的owner,失败的线程则继续等待