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介绍一下synchronized锁升级过程

news 来源：原创 2025/5/11 5:28:57

分析：

首先介绍一下synchronized

synchronized 是 Java 中用于实现线程同步的关键字、它通过一种称为锁升级的机制来优化性能、根据锁的竞争情况动态调整锁的状态。

synchronized 的核心是基于 monitor 锁、也称为 监视器锁 或 互斥锁。monitor 是一种重量级的锁机制，它的实现依赖于操作系统提供的同步原语（如互斥量 mutex）

Monitor 对象:

在 Java 中每个对象都有一个与之关联的 monitor 它存储在对象的 对象头 中：

对象头通常包含以下内容：

Mark Word：存储对象的哈希码、锁状态、GC 标记等信息。
Class Metadata Address：指向对象的类元数据。
Array Length（如果是数组）：存储数组的长度。
- 这个 Monitor 对象可以理解为一把锁。
- Monitor 对象包含 _owner (指向持有锁的线程),

monitor 锁有以下几种状态：

无锁状态：对象未被锁定。
偏向锁：偏向于一个线程、减少锁的开销。
轻量级锁：使用自旋锁、减少线程阻塞。
重量级锁：当自旋失败后、线程进入阻塞状态、使用操作系统级别的锁。
共享锁：允许多个线程同时访问（如读写锁的读锁）。

JDK 1.6 引入了锁升级机制根据不同的竞争情况选择不同的锁：

默认就是无锁状态：对象没有被任何线程锁定。Mark Word 记录的是对象的哈希码等信息。

在大多数情况下、锁不仅不存在多线程竞争、而且总是由同一个线程多次获得。偏向锁就是为了优化这种场景。

后面引入了偏向锁

当一个线程（比如线程A）第一次进入一个 synchronized 代码块并尝试获取锁时、如果该对象是无锁状态、并且偏向锁是启用的（默认启用）、JVM 会将对象头的 Mark Word 中的锁标志位（表示偏向锁）、同时用 CAS 操作尝试将当前线程A的ID记录到 Mark Word 中
- 如果成功：线程A就持有了该对象的偏向锁。之后线程A再次进入与此锁相关的 synchronized块时、只需要检查 Mark Word 中的线程ID是否是自己，如果是则无需任何额外的同步操作（如CAS）、直接执行同步代码、效率极高。这就是偏向锁的偏向之处。
- 如果失败 (CAS竞争或已有偏向)：说明有其他线程竞争偏向锁、此时会尝试撤销偏向锁。撤销偏向锁后、锁会膨胀为轻量级锁。

然后到了轻量级锁

引入目的：当偏向锁被撤销、或者多个线程交替执行同步代码块、但几乎没有实际的同时竞争时、使用轻量级锁可以避免重量级锁的操作系统内核态切换开销。
升级过程与判断：
- 尝试获取锁的线程（比如线程A）会在自己的栈帧中创建一个锁记录 (Lock Record)、用于存储对象 Mark Word 的一个拷贝（Displaced Mark Word）。
- 然后线程A会尝试使用 CAS ) 操作将对象头的 Mark Word 更新为指向其栈帧中这个锁记录的指针。同时锁记录中的 owner 指针会指向对象。
- 如果CAS成功：线程A成功获取轻量级、Mark Word 的锁标志位会变为00
- 如果CAS失败：说明在它尝试CAS期间、已经有其他线程先一步获取了轻量级锁
自旋等待：
- 获取轻量级锁失败的线程并不会立即阻塞、而是会进行自旋、自旋锁是一种非阻塞式的锁实现方式、线程在尝试获取锁失败时不会进入阻塞或者挂起状态、而是通过循环自旋的方式等待锁的释放
- JVM 会进行自适应自旋、即自旋的次数和时间会根据以往自旋成功的情况动态调整。
- 自旋锁可以避免线程切换的开销、如果锁被其他线程长时间占用、自旋线程会一直占用 CPU 资源、造成浪费。
锁膨胀：
- 如果自旋一定次数后仍然无法获取锁（例如持有锁的线程执行时间较长、或者有其他线程也在自旋竞争），轻量级锁就会膨胀为重量级锁。

重量级锁

引入场景：当多个线程激烈竞争同一个锁、自旋等待无法有效解决问题时、就会升级到重量级锁。
实现：重量级锁依赖于对象的 Monitor 实现、而 Monitor 又依赖于操作系统的互斥量 (Mutex)。
过程：
- Mark Word 的锁标志位会变为1、并指向一个真正的 Monitor 对象
- 线程获取重量级锁失败后会被阻塞、并放入该 Monitor 的等待队列中、其状态会从运行态切换到阻塞态、等待操作系统进行线程调度和唤醒。
- 当持有锁的线程释放锁时、会唤醒等待队列中的一个或多个线程来竞争锁。
开销：重量级锁涉及用户态到内核态的切换以及线程的阻塞和唤醒、开销较大。

总结锁升级路径：

无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁

这个过程是单向的、通常只能升级、不能降级

适用场景如下：

偏向锁： 适用于只有一个线程访问同步代码块的场景。线程第一次获取锁时、会将对象头设置为偏向模式、后续该线程再次进入同步块时、无需进行任何同步操作、从而避免了额外的开销。
轻量级锁： 适用于多个线程交替访问同步代码块、但竞争不激烈的场景。
重量级锁线程的竞争不使用自旋、不会消耗CPU但是重量级的开销比较大、因为涉及到用户态和内核态的切换。响应时间慢

参考面试回答

介绍一下synchronized锁升级过程

首先介绍一下synchronized

synchronized 是 Java 中用于实现线程同步的关键字
synchronized 的核心是基于 monitor 锁、也称为 监视器锁 或 互斥锁。monitor 是一种重量级的锁机制，它的实现依赖于操作系统提供的同步原语（如互斥量 mutex）
Monitor 对象: 是在 Java 中每个对象都有一个与之关联的 monitor 它存储在对象的 对象头 中：
锁的状态记录在对象头里的（Mark Word）中