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synchronized锁升级过程【AI笔记,仅供自己参考】

news 2025/7/19 7:54:42

在 Java 中，synchronized 是一种内置的同步机制，用于保证多线程环境下代码的原子性、可见性和有序性。从 JDK 1.6 开始，为了减少锁带来的性能开销，Java 对 synchronized 做了大量优化，引入了 锁升级机制（Lock Escalation）。

🔐 一、什么是锁升级？

锁升级是指 JVM 在运行时根据对象的使用情况，对对象的锁状态进行动态优化的过程。它不是“升级为更重的锁”，而是从轻量级锁逐步升级到重量级锁的过程，以在不同竞争程度下取得性能平衡。

🧱 二、锁的类型（对象头中的 Mark Word）

在 Java 中，每个对象都有一个对象头（Object Header），其中的 Mark Word 保存了对象的哈希码、GC 分代年龄、锁状态等信息。锁的升级就体现在 Mark Word 的变化上。

锁的状态分为以下几种：

锁状态	描述
无锁状态（Unlocked）	对象未被任何线程锁定
偏向锁（Biased Locking）	只有一个线程访问同步块时使用
轻量级锁（Lightweight Locking）	多个线程交替执行同步块，没有竞争
重量级锁（Inflated Lock）	多个线程发生竞争，锁膨胀为 OS 层面的互斥量（Mutex）

🔁 三、锁升级流程（从无锁到重量级锁）

深色版本

无锁状态│▼
偏向锁（只有一个线程）│（有竞争）▼
轻量级锁（CAS 尝试加锁）│（竞争激烈）▼
重量级锁（阻塞线程）

1. 无锁状态

初始状态，对象未被任何线程锁定。
Mark Word 中记录的是对象的 hash、GC 信息等。

2. 偏向锁（Biased Locking）

当一个线程访问同步块并获取锁时，JVM 会将对象头中的 Mark Word 设置为该线程 ID。
表示这个对象“偏向”这个线程。
优点：避免了无竞争情况下的同步开销。
缺点：当有其他线程尝试获取锁时，偏向锁会失效，需要撤销（Revoke）并升级为轻量级锁。

✅ 偏向锁默认是开启的（JDK 6~15），但可以通过 JVM 参数关闭：

-XX:-UseBiasedLocking

3. 轻量级锁（Lightweight Locking）

多个线程交替执行同步块，没有实际竞争。
使用 CAS（Compare and Swap）操作尝试将对象头的 Mark Word 替换为指向线程栈中锁记录的指针。
如果 CAS 成功，则获得锁；失败则说明有竞争，进入锁膨胀。

4. 重量级锁（Inflated Lock）

多个线程发生竞争时，锁会膨胀为 OS 层面的互斥锁（Mutex）。
JVM 会把线程阻塞，并等待操作系统调度。
性能开销最大，因为涉及到线程上下文切换和系统调用。

🧪 四、锁升级的触发条件

条件	锁升级
第一次加锁	无锁 → 偏向锁
有线程竞争（偏向锁）	偏向锁 → 轻量级锁
CAS 失败（轻量级锁）	轻量级锁 → 重量级锁

📈 五、锁升级的性能影响

锁类型	性能开销	适用场景
偏向锁	✅ 最低	单线程访问同步块
轻量级锁	⚠️ 较低	多线程交替访问
重量级锁	❌ 最高	多线程竞争激烈

🧪 六、代码示例演示锁升级过程

public class SynchronizedLockUpgrade {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Object obj = new Object();new Thread(() -> {synchronized (obj) {System.out.println("Thread 1: holding lock");printMarkWord(obj);}}, "Thread-1").start();Thread.sleep(1000); // 确保 Thread-1 执行完偏向锁new Thread(() -> {synchronized (obj) {System.out.println("Thread 2: trying to get lock");printMarkWord(obj);}}, "Thread-2").start();}// 通过 JVM 工具打印对象头（Mark Word）private static void printMarkWord(Object obj) {// 实际中使用 JOL（Java Object Layout）库查看对象头// 示例代码略}
}

⚠️ 说明：要查看对象头（Mark Word）的变化，可以使用 JOL（Java Object Layout）工具。

🛠️ 七、优化建议

场景	建议
无并发竞争	启用偏向锁，减少同步开销
短期竞争	使用轻量级锁
长期竞争	使用重量级锁或 `ReentrantLock`
高并发场景	考虑使用 `ReentrantLock` 或分段锁（如 `ConcurrentHashMap`）
不需要同步	避免使用 `synchronized`，使用 `volatile` 或原子类

📚 八、相关 JVM 参数（了解）

参数	说明
`-XX:+UseBiasedLocking`	启用偏向锁（默认开启）
`-XX:BiasedLockingStartupDelay=0`	提前启用偏向锁
`-XX:-UseBiasedLocking`	禁用偏向锁
`-XX:+PrintCommandLineFlags`	查看当前 JVM 使用的参数

✅ 九、总结：synchronized 的锁升级过程

步骤	锁类型	触发条件
1	无锁状态	初始状态
2	偏向锁	第一次加锁（单线程）
3	轻量级锁	多线程交替访问（CAS）
4	重量级锁	线程竞争激烈（锁膨胀）