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synchronized 深度剖析：从语法到锁升级的完整演进

news 2025/8/2 5:36:12

在 Java 并发编程中，synchronized是最基础也最常用的同步机制。从 JDK 1.0 诞生时的重量级锁，到 JDK 6 引入的锁升级机制（偏向锁→轻量级锁→重量级锁），synchronized的性能不断优化，成为保障线程安全的核心工具。然而，很多开发者对其的理解仍停留在 “加锁关键字” 的表层，对底层实现和锁升级细节知之甚少。本文将从语法使用入手，逐步深入到 JVM 层面的锁机制，解析synchronized如何从低效走向高效，以及在不同场景下的最佳实践。

一、synchronized 的语法使用：锁的三种形态

synchronized的核心作用是实现临界区的互斥访问，即同一时间只有一个线程能执行被保护的代码块。它有三种使用形式，分别对应不同的锁对象。

1.1 修饰实例方法：锁为当前对象实例

当synchronized修饰实例方法时，锁的对象是调用该方法的对象实例。不同实例间的锁相互独立，同一实例的多个synchronized方法共享同一把锁。

public class SynchronizedDemo {// 锁对象为当前SynchronizedDemo实例public synchronized void instanceMethod() {// 临界区代码System.out.println("实例方法同步");}public static void main(String[] args) {SynchronizedDemo demo1 = new SynchronizedDemo();SynchronizedDemo demo2 = new SynchronizedDemo();// 线程1调用demo1的同步方法new Thread(demo1::instanceMethod).start();// 线程2调用demo2的同步方法（与线程1不互斥，因为锁对象不同）new Thread(demo2::instanceMethod).start();}
}

特点：

锁的粒度是对象实例，适合保护对象级别的共享资源（如实例变量）；

若多个线程操作同一个实例，会竞争同一把锁；操作不同实例则无竞争。

1.2 修饰静态方法：锁为类的 Class 对象

synchronized修饰静态方法时，锁的对象是当前类的 Class 对象（全局唯一）。无论创建多少个实例，所有线程调用该静态方法都会竞争同一把锁。

public class SynchronizedStaticDemo {// 锁对象为SynchronizedStaticDemo.classpublic static synchronized void staticMethod() {// 临界区代码System.out.println("静态方法同步");}public static void main(String[] args) {SynchronizedStaticDemo demo1 = new SynchronizedStaticDemo();SynchronizedStaticDemo demo2 = new SynchronizedStaticDemo();// 线程1和线程2竞争同一把锁（Class对象），会互斥执行new Thread(demo1::staticMethod).start();new Thread(demo2::staticMethod).start();}
}

特点：

锁的粒度是类级别，适合保护静态变量等全局共享资源；

所有实例共享同一把锁，竞争强度高于实例方法锁。

1.3 修饰代码块：锁为指定对象

synchronized代码块通过显式指定锁对象，实现更灵活的同步控制。锁对象可以是任意 Java 对象（推荐使用专门的锁对象，如Object lock = new Object()）。

public class SynchronizedBlockDemo {private final Object lock = new Object(); // 显式锁对象private int count = 0;public void increment() {// 锁对象为lock，保护count的修改synchronized (lock) {count++;}}public int getCount() {synchronized (lock) { // 与increment共享同一把锁return count;}}
}

特点：

锁的粒度可自定义，能减少锁竞争（如用不同锁保护不同资源）；

避免了修饰方法时的锁粒度过大问题，是实际开发中推荐的方式。

二、锁升级机制：从偏向锁到重量级锁的演进

JDK 6 之前，synchronized的实现依赖操作系统的互斥量（Mutex），每次加锁解锁都需要在用户态和内核态之间切换，性能开销巨大（因此被称为 “重量级锁”）。JDK 6 为优化其性能，引入了锁升级机制：根据竞争强度，自动从偏向锁升级为轻量级锁，最终升级为重量级锁，实现 “按需分配” 性能开销。

锁升级的核心依据是竞争程度：

无竞争：使用偏向锁（几乎无开销）；

轻度竞争（线程交替执行）：使用轻量级锁（自旋等待，避免内核态切换）；

重度竞争（多线程同时争抢）：使用重量级锁（依赖操作系统互斥量）。

锁升级是不可逆的（偏向锁→轻量级锁→重量级锁），一旦升级为重量级锁，就不会再降级。

2.1 偏向锁：无竞争场景的最优解

设计初衷：在多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，还会由同一线程多次获取。偏向锁通过 “偏向” 第一个获取锁的线程，消除无竞争场景下的锁开销。

2.1.1 实现原理

加锁：当线程第一次获取锁时，JVM 会将对象头中的Mark Word标记为 “偏向模式”，并记录该线程的 ID。后续该线程再次获取锁时，只需检查 Mark Word 中的线程 ID 是否为当前线程，无需其他操作（几乎零开销）。

解锁：偏向锁不会主动释放，只有当其他线程尝试获取锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁（触发偏向锁撤销）。

对象头 Mark Word 在偏向锁状态的结构（64 位 JVM）：

位信息	含义
0~1 位	锁状态标记（01 表示偏向锁）
2 位	偏向锁标志（1 表示处于偏向模式）
3~12 位	偏向线程 ID
13~17 位	epoch（偏向锁的时间戳，用于批量重偏向）
18~23 位	未使用
24~63 位	对象哈希码（无竞争时延迟计算，偏向锁释放时才生成）

2.1.2 适用场景

单线程重复获取锁的场景（如单线程操作集合）；

几乎无竞争的环境（如线程私有的同步代码块）。

优势：除第一次获取锁时有轻微开销，后续获取锁几乎无需成本。

劣势：存在锁撤销的开销（当其他线程尝试获取锁时，需要暂停持有偏向锁的线程，检查其状态）。

2.2 轻量级锁：应对线程交替执行的场景

当有其他线程尝试获取偏向锁时，偏向锁会被撤销，升级为轻量级锁。轻量级锁适用于线程交替执行同步代码块的场景，通过自旋避免进入重量级锁。

2.2.1 实现原理

加锁：

线程获取锁时，先在栈帧中创建锁记录（Lock Record），存储对象头中 Mark Word 的副本（Displaced Mark Word）；
通过 CAS 操作将对象头的 Mark Word 替换为指向锁记录的指针（表示当前线程持有轻量级锁）；
若 CAS 成功，当前线程获取锁；若失败（说明存在竞争），则自旋重试（默认自旋次数为 10 次）。

解锁：

通过 CAS 操作将对象头的 Mark Word 恢复为 Displaced Mark Word；
若 CAS 成功，解锁完成；若失败（说明锁已升级为重量级锁），则唤醒等待队列中的线程。

对象头 Mark Word 在轻量级锁状态的结构：

位信息	含义
0~1 位	锁状态标记（00 表示轻量级锁）
2 位及以上	指向栈中锁记录（Lock Record）的指针

2.2.2 适用场景

线程交替执行同步代码块（如两个线程轮流获取锁）；

竞争持续时间短（自旋等待能在短时间内获取到锁）。

优势：避免了重量级锁的内核态切换开销，通过自旋在用户态解决竞争。

劣势：自旋会消耗 CPU 资源，若竞争激烈（自旋失败），会升级为重量级锁，反而增加开销。

2.3 重量级锁：多线程并发争抢的最终方案

当轻量级锁的自旋失败（超过最大自旋次数或已有线程自旋），锁会升级为重量级锁。重量级锁依赖操作系统的互斥量（Mutex） 实现，适用于多线程同时争抢锁的场景。

2.3.1 实现原理

加锁：线程获取重量级锁时，若锁已被占用，当前线程会被阻塞并放入等待队列（由操作系统维护），进入内核态等待；

解锁：持有锁的线程释放锁后，会唤醒等待队列中的一个或多个线程，使其重新竞争锁。

对象头 Mark Word 在重量级锁状态的结构：

位信息	含义
0~1 位	锁状态标记（10 表示重量级锁）
2 位及以上	指向操作系统互斥量（Mutex）的指针

2.3.2 适用场景

多线程同时竞争锁（如高并发场景下的资源争抢）；

同步代码块执行时间长（自旋等待得不偿失）。

优势：适合重度竞争场景，不会浪费 CPU 资源（线程阻塞时不消耗 CPU）。

劣势：线程阻塞和唤醒需要在用户态和内核态之间切换，开销巨大（约为轻量级锁的 10~100 倍）。

2.4 锁升级的完整流程示例

public class LockUpgradeDemo {private static final Object lock = new Object();public static void main(String[] args) {// 阶段1：单线程获取锁，使用偏向锁new Thread(() -> {synchronized (lock) {System.out.println("线程1获取锁（偏向锁）");try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}}}).start();// 阶段2：线程1释放锁后，线程2尝试获取，偏向锁撤销，升级为轻量级锁new Thread(() -> {try { Thread.sleep(200); } catch (InterruptedException e) {} // 等待线程1释放synchronized (lock) {System.out.println("线程2获取锁（轻量级锁）");try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}}}).start();// 阶段3：线程2未释放时，线程3尝试获取，轻量级锁升级为重量级锁new Thread(() -> {try { Thread.sleep(250); } catch (InterruptedException e) {} // 线程2持有锁时争抢synchronized (lock) {System.out.println("线程3获取锁（重量级锁）");}}).start();}
}

流程解析：

线程 1 首次获取锁，lock对象头变为偏向锁状态，记录线程 1 的 ID；

线程 1 释放锁后，线程 2 尝试获取，JVM 撤销偏向锁，升级为轻量级锁，线程 2 通过 CAS 获取锁；

线程 2 持有锁时，线程 3 尝试获取，轻量级锁自旋失败，升级为重量级锁，线程 3 进入内核态等待；

线程 2 释放锁后，操作系统唤醒线程 3，线程 3 获取重量级锁。

三、synchronized 与其他锁的对比：如何选择？

在 Java 并发包中，ReentrantLock等锁机制也能实现同步功能。了解synchronized与它们的差异，才能在实际开发中做出合理选择。

特性	synchronized	ReentrantLock
锁实现	JVM 层面（C++ 实现）	API 层面（Java 代码实现）
锁升级	支持（偏向锁→轻量级锁→重量级锁）	不支持，始终是重量级锁（但可通过公平性设置优化）
可中断	不可中断（获取锁时会一直阻塞）	可中断（tryLock (long timeout, TimeUnit unit)）
公平性	非公平锁（无法设置）	支持公平锁和非公平锁（构造函数参数）
条件变量	不支持	支持（通过 Condition 实现多条件等待）
性能	低竞争时接近 ReentrantLock，高竞争时略差	高竞争时性能更稳定

最佳实践：

简单同步场景（如单例模式、简单计数器）：优先使用synchronized（语法简洁，不易出错）；

复杂场景（如需要中断、超时等待、多条件唤醒）：使用ReentrantLock；

高并发且竞争激烈的场景：根据测试结果选择（通常ReentrantLock表现更优）。

四、常见误区与性能优化

4.1 误区一：过度使用 synchronized 导致性能下降

很多开发者为 “安全起见”，盲目扩大synchronized的范围，导致锁竞争加剧。例如：

// 错误示例：同步整个方法，包含无需同步的IO操作
public synchronized void process() {// 1. 无需同步的IO操作（耗时较长）readFile();// 2. 需要同步的共享变量修改count++;
}

优化：缩小同步范围，只同步临界区：

public void process() {readFile(); // 无需同步的操作在锁外执行synchronized (lock) {count++; // 仅同步必要代码}
}

4.2 误区二：认为 synchronized 会导致死锁

synchronized本身不会导致死锁，但多把锁的无序获取会导致死锁。例如：


// 线程1：先获取lockA，再获取lockBsynchronized (lockA) {synchronized (lockB) { ... }}// 线程2：先获取lockB，再获取lockAsynchronized (lockB) {synchronized (lockA) { ... }}

避免方案：