明黄栋栋
2025-09-09
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synchronized 的锁升级原理


在 Java 中，synchronized 的锁升级是 JVM 对其进行的性能优化机制（从 JDK 6 开始引入）。

其核心思想是：根据线程竞争的激烈程度，让锁的实现从 “轻量级” 逐渐升级到 “重量级”，避免在低竞争场景下使用重量级锁带来的性能开销（如操作系统内核态切换）。

一、锁升级的背景：为什么需要升级？

早期的 synchronized 直接使用重量级锁（依赖操作系统的互斥量 mutex），但重量级锁的问题在于：

  • 线程获取 / 释放锁时需要从用户态切换到内核态，开销大。
  • 即使在只有一个线程访问（无竞争）或轻度竞争的场景，也会产生不必要的性能损耗。

为解决这个问题，JVM 引入了锁升级机制：让锁根据竞争程度动态转换状态（无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁），在低竞争时用轻量实现，高竞争时才用重量级锁，平衡性能和安全性。

二、锁的四种状态及升级流程

synchronized 的锁状态完全依赖对象头的 Mark Word（对象头的一部分，存储对象的元数据）。Mark Word 的结构会随锁状态变化，以下是具体状态及升级逻辑：

1. 无锁状态（初始状态）

  • 适用场景：对象刚创建，未被任何线程锁定。
  • Mark Word 存储内容：对象的哈希码、分代年龄、是否为偏向锁标记（0）等。
  • 示例：Object obj = new Object(); 此时 obj 处于无锁状态。

2. 偏向锁（单线程竞争）

  • 适用场景：只有一个线程多次获取同一把锁（无多线程竞争）。
  • 核心目标：消除无竞争时的同步开销（如 CAS 操作）。
偏向锁的获取过程：
  1. 线程第一次获取锁时，JVM 会通过 CAS 操作，将当前线程 ID 写入对象的 Mark Word，并将 “偏向锁标记” 设为 1。
  2. 后续该线程再次获取锁时，无需 CAS 操作，只需简单判断：
    • Mark Word 中的线程 ID 是否为当前线程 ID？
    • 偏向锁标记是否为 1？ 若均满足，直接获取锁成功（几乎零开销）。
偏向锁的撤销（升级触发）：

当有其他线程尝试获取锁时，偏向锁会被 “撤销”，升级为轻量级锁。撤销过程需要暂停持有偏向锁的线程，并根据其状态（是否在执行同步块）处理：

  • 若原线程已退出同步块，直接将 Mark Word 恢复为无锁状态，新线程竞争轻量级锁。
  • 若原线程仍在执行，将偏向锁升级为轻量级锁，原线程继续执行，新线程自旋尝试获取。
特殊说明：
  • 偏向锁默认延迟启动（JVM 启动后约 4 秒），避免启动时大量对象初始化导致的频繁偏向锁撤销。可通过 XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁，或 XX:BiasedLockingStartupDelay=0 取消延迟。

3. 轻量级锁（轻度竞争）

  • 适用场景：多个线程交替获取锁（竞争不激烈，无线程长时间阻塞）。
  • 核心目标：通过自旋（用户态循环）避免升级为重量级锁（内核态阻塞）。
轻量级锁的获取过程：

  1. 线程进入同步块时，JVM 会在当前线程的栈帧中创建一个 Lock Record（锁记录），存储对象 Mark Word 的拷贝（称为 Displaced Mark Word）。

  2. 线程通过 CAS 操作，将对象的 Mark Word 替换为

    指向当前 Lock Record 的指针：

    • 若 CAS 成功，线程获取轻量级锁，执行同步逻辑。
    • 若 CAS 失败（说明其他线程已持有轻量级锁），则当前线程进入自旋（循环尝试 CAS），等待锁释放。
轻量级锁的释放过程：

线程退出同步块时，通过 CAS 将 Displaced Mark Word 写回对象的 Mark Word：

  • 若 CAS 成功，释放锁成功。
  • 若 CAS 失败（说明锁已升级为重量级锁），则释放锁并唤醒阻塞的线程。
轻量级锁的升级触发：

当自旋超过一定次数（JVM 自适应调整，通常为 10 次），或自旋线程数超过 CPU 核心数的一半时，JVM 认为竞争已 “激烈”，轻量级锁会升级为重量级锁。

4. 重量级锁（重度竞争）

  • 适用场景：多个线程同时争抢锁（竞争激烈，自旋无法解决）。
  • 核心目标：通过操作系统的互斥量保证线程安全，避免自旋消耗 CPU。
重量级锁的实现：
  • 锁升级为重量级后，对象的 Mark Word 会指向一个操作系统级别的互斥量（mutex）。
  • 未获取到锁的线程会直接进入阻塞状态（放弃 CPU 资源），由操作系统放入等待队列。
  • 持有锁的线程释放锁时，会通过操作系统唤醒等待队列中的线程，重新竞争锁。
缺点：

线程从阻塞到唤醒需要用户态 ↔ 内核态切换，开销较大，但在重度竞争场景下，比自旋（空耗 CPU）更高效。

三、锁升级的完整流程总结

  1. 初始状态：对象为无锁状态，Mark Word 存储哈希码等信息。
  2. 单线程访问：升级为偏向锁，Mark Word 记录当前线程 ID，后续访问零开销。
  3. 多线程交替访问（轻度竞争）：偏向锁撤销，升级为轻量级锁，线程通过自旋 CAS 竞争锁。
  4. 多线程同时争抢（重度竞争）：轻量级锁升级为重量级锁，线程阻塞等待，依赖操作系统互斥量。

四、核心总结

synchronized 的锁升级是 JVM 对 “不同竞争强度” 的自适应优化：

  • 低竞争（单线程）：用偏向锁，消除 CAS 开销。
  • 中竞争（交替访问）：用轻量级锁，自旋避免内核态切换。
  • 高竞争（同时争抢）：用重量级锁，阻塞等待节省 CPU。

这种机制让 synchronized 在各种场景下都能保持较好的性能，也是现代 JVM 中 synchronized 性能接近 ReentrantLock 的重要原因。

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