从 MESA 模型到锁升级：synchronized 性能逆袭的底层逻辑

2025-09-25
北京
本文字数：2588 字
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管程（Monitor）是一种用于管理共享资源访问的程序结构，能确保同一时刻只有一个线程访问共享资源，解决并发编程中的互斥和同步问题。MESA 模型是管程的经典实现，主要由入口等待队列和条件变量等待队列构成。1）入口等待队列‌：确保线程互斥，多个线程试图进入管程时，仅一个线程能成功，其余线程在入口等待队列中排队。2）条件变量等待队列‌：解决线程同步问题，线程在管程内执行时，若条件不满足需等待其他线程操作结果，则进入相应条件变量的等待队列。当线程被 notify 或 notifyAll 唤醒后，不会立即执行，而是先进入入口等待队列竞争管程的锁。只有竞争到锁后，线程才能继续执行。因此，被唤醒的线程需循环检验条件是否满足，即采用 while (条件不满足) { wait(); } 的编程范式，以避免条件不一致问题。

synchronized 参考了 MESA 管程模型，对 MESA 模型进行了精简。在 MESA 模型中，一个管程可以有多个条件变量，而 Java 中的 synchronized 机制只对应一个条件变量。

public class Test {    public static void main(String[] args) {        // 同步代码块方式加锁        synchronized (Test.class) {
        }        // 同步方法方式加锁        func();    }        public static synchronized void func() {    }}

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先使用 javac 编译，生成 Test.class 的文件。使用 javap -c 命令来查看字节码。

public static void main(java.lang.String[]);    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC    Code:      stack=2, locals=3, args_size=1         0: ldc           #2                  // class com/tencent/trpcprotocol/dayu/identify/Test         2: dup         4: monitorenter         6: monitorexit        12: monitorexit        15: invokestatic  #3                  // Method func:()V        18: return
  public static synchronized void func();    descriptor: ()V    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_SYNCHRONIZED    Code:      stack=0, locals=0, args_size=0         0: return      LineNumberTable:        line 25: 0

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从字节码可以看出，同步代码块通过 monitorenter 和 monitorexit 指令实现锁的获取与释放，而同步方法通过 ACC_SYNCHRONIZED 标记隐式管理锁。无论采用哪种方式，其本质是对一个对象（Object）的监视器锁（Monitor locking）进行获取，它与 synchronized 所在的对象一一对应。当一个线程进入一个 synchronized 方法或代码块时，它会尝试获取该对象的监视器锁。如果锁没有被其他线程占用，该线程会获取到锁，并执行临界区的代码。如果锁已经被其他线程占用，该线程会进入阻塞（BLOCKED）状态，并进入同步队列等待锁的释放。Java 中的 Object 类提供了 wait()、notify() 和 notifyAll()方法，这些方法正是基于 MESA 模型中的条件变量实现的。当线程执行 wait()方法时，会释放锁，并将线程从运行状态转移到等待队列中；当线程被 notify 或 notifyAll 唤醒后，会重新进入同步队列，参与锁的竞争，竞争成功后才能继续执行。

synchronized 性能优化

synchronized 在早期仅支持‌重量级锁‌（Mutex locking），依赖操作系统内核态与用户态的切换，性能较差。JDK 6 后引入多级锁优化。1）偏向锁（Biased Locking）：针对同一线程反复获取同一锁的场景，偏向锁会记录首次获取锁的线程 ID。后续该线程再次获取锁时，无需同步操作即可直接执行，从而消除不必要的锁竞争开销。2）轻量级锁（Lightweight Locking）：通过‌CAS 操作和锁标记位实现。线程尝试以 CAS 方式将锁标记为轻量级状态，若成功则直接获取锁；若失败，则通过自旋等待锁释放。此机制在竞争不激烈时避免了内核态切换，显著提升锁操作效率。3）自旋锁（Spin Locking）：当锁获取失败时，线程会在有限次数内循环等待（自旋），而非立即进入阻塞状态。适用于锁持有时间极短的场景，通过减少线程挂起与唤醒开销提升性能。4）锁消除（Lock Elimination）：Java 虚拟机的即时编译器在运行时分析代码，若检测到某些锁操作（如对局部对象的加锁）无实际意义，会自动移除这些锁，从而优化程序性能。

synchronized 使用注意

1）避免死锁‌：如果两个或多个线程互相等待对方释放锁，会导致死锁。由于 synchronized 不提供超时机制，可以使用 JUC 并发包的 ReentrantLock 并设置超时时间来避免死锁。

public class DeadlockAvoidance {    private final Object lock1 = new Object();    private final Object lock2 = new Object();
    // 线程1    public void method1() {        synchronized (lock1) {            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " locked lock1");            synchronized (lock2) {                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " locked lock2");            }        }    }
    // 线程2    public void method2() {        synchronized (lock1) {            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " locked lock1");            synchronized (lock2) {                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " locked lock2");            }        }    }}

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‌2）锁粒度：锁粒度指的是对共享资源加锁的范围。锁的粒度过大，会导致并发性能下降；锁的粒度过小，会增加锁管理的开销。

public class SynchronizedBlockExample {    private int count = 0;
    // 只同步增量操作部分，避免同步无关代码    public void increment() {        synchronized (this) {            count++;        }    }
    public int getCount() {        return count;    }}

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3）理解可重入性：synchronized 是可重入的，也就是说，同一个线程可以多次获得同一个锁而不会发生死锁

public class ReentrantLockExample {    // 如果一个线程在同步方法内部调用了另一个同步方法，它仍然能获取锁    public synchronized void methodA() {        System.out.println("Entering method A");        methodB();  // 调用另一个同步方法    }
    public synchronized void methodB() {        System.out.println("Entering method B");    }}

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未完待续

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原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/36d5056d622baf30af6e57f36】。文章转载请联系作者。

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