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synchronized锁升级过程详解

news 2025/10/15 9:20:22

synchronized 锁的升级是 Java 为了在没有竞争或竞争程度不同的情况下，平衡性能开销和线程安全而设计的一套优化机制。它的核心思想是：当没有竞争时，使用代价最小的锁；当竞争加剧时，再逐步升级为更重量级的锁。

锁的状态从低到高依次为：无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁。锁只能升级，不能降级（目的是为了提高获得锁和释放锁的效率）。

前置知识：Java 对象头 (Object Header)

要理解锁升级，必须先了解 Java 对象在内存中的布局，尤其是对象头。对象头主要包含两部分：

Mark Word (标记字段)：存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID等。这是锁升级过程发生的主要场所。
Klass Pointer (类型指针)：指向对象元数据的指针，JVM通过它来确定这个对象是哪个类的实例。

对象内存布局：

text

|--------------------------------------------------------------|
|                     Object Header (64 bits)                  |
|------------------------------------|-------------------------|
|        Mark Word (32 bits)         |    Klass Word (32 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|

32位JVM中Mark Word的结构：

text

|-------------------------------------------------------|------|
|                  Mark Word (32 bits)                  | State|
|-------------------------------------------------------|------|
| identity_hashcode:25 | age:4 | biased_lock:0 | lock:01| 无锁 |
|-------------------------------------------------------|------|
|  thread:23 | epoch:2 | age:4 | biased_lock:1 | lock:01| 偏向锁|
|-------------------------------------------------------|------|
|               ptr_to_lock_record:30          | lock:00| 轻量锁|
|-------------------------------------------------------|------|
|               ptr_to_heavyweight_monitor:30  | lock:10| 重量锁|
|-------------------------------------------------------|------|
|                                               | lock:11| GC   |
|-------------------------------------------------------|------|

注意：在偏向锁状态下，如果计算了对象的 hashCode()，则无法进入偏向锁状态，因为 Mark Word 没有空间同时存储线程ID和哈希码。

锁升级的详细过程

我们可以用一个流程图来概括整个过程，然后逐一详解：

现在，我们按照流程图的路径，详细讲解每一步。

第一阶段：无锁 -> 偏向锁 (Biased Locking)

目的：在没有实际竞争的情况下，消除整个同步操作（如 monitorenter 和 monitorexit）的开销，进一步提高程序性能。它的假设是“在锁被持有期间，不会有其他线程来竞争”。
触发条件：当 JVM 启用了偏向锁（-XX:+UseBiasedLocking，JDK 15 后默认关闭），并且一个对象被线程第一次访问时。JDK 15 默认关闭偏向锁是基于大量实际数据和性能分析做出的理性决策。
详细过程：
1. 检查状态：线程 A 第一次进入同步块，检查对象头的 Mark Word。
2. CAS 设置：发现锁标志位是 ‘01’，且偏向锁标志是 ‘0’（无锁状态）。于是，线程 A 使用 CAS 操作，尝试将自己的线程 ID 写入到对象的 Mark Word 中。
  - 如果 CAS 成功，线程 A 就获得了偏向锁。对象头的偏向锁标志位变为 ‘1’，锁标志位仍为 ‘01’。之后，只要没有其他线程来竞争，线程 A 每次进入这个同步块时，只需要检查 Mark Word 中的线程ID是否是自己，如果是，则直接进入，无需任何同步操作。
  - 如果 CAS 失败，说明在之前已经存在竞争，另一个线程 B 已经持有了这个偏向锁。此时，偏向锁需要撤销（Revoke Bias）。

第二阶段：偏向锁 -> 轻量级锁 (Lightweight Locking)

目的：当存在轻微的竞争（即线程交替执行同步块）时，避免直接使用重量级锁带来的操作系统内核态切换开销。
触发条件：当有第二个线程 B 来尝试获取已经被线程 A 偏向的锁时。
详细过程（偏向锁撤销与升级）：
1. 暂停线程 (STW)：JVM 首先会安全点（Safepoint） 暂停拥有偏向锁的线程 A。
2. 检查状态：检查线程 A 是否仍然活着或仍需要这个锁。
  - 如果线程 A 已经不活动或者已经退出同步代码块，则对象头可以重置为无锁状态，然后重新偏向给线程 B。
  - 如果线程 A 仍然需要这个锁（最常见的情况），则执行偏向锁撤销。
3. 撤销与升级：JVM 会将对象头的 Mark Word 更新为指向线程 A 栈中锁记录（Lock Record）的指针。这个锁记录是 JVM 在各自线程的栈帧中创建的，用于存储锁对象的 Mark Word 拷贝（Displaced Mark Word）。
4. 状态变更：此时，对象头的锁标志位变为 ‘00’，表示对象升级为轻量级锁状态。
5. 唤醒线程：恢复被暂停的线程 A。现在，线程 A 持有轻量级锁，线程 B 会通过自旋（循环CAS） 的方式尝试获取这个轻量级锁。

第三阶段：轻量级锁的运行与升级

运行机制：在轻量级锁状态下，线程通过 CAS 操作（cmpxchg 指令）来尝试获取锁。它不会立即阻塞自己，而是在一个循环中自旋（忙等待），不断尝试获取锁。
优点：如果锁被持有的时间很短，自旋的线程很快就能获得锁，避免了用户态到内核态的切换，开销很小。
触发升级条件：如果线程 B 自旋了一定次数后（JDK 6 引入了自适应自旋，次数由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者状态来决定），还没有获取到锁。或者此时有第三个线程 C 也来参与竞争。
详细过程：
1. 升级：轻量级锁会膨胀（Inflate） 为重量级锁。
2. 状态变更：JVM 会创建一个监视器（Monitor） 对象（在 HotSpot 中称为 ObjectMonitor），并将对象头的 Mark Word 更新为指向这个 Monitor 的指针，锁标志位变为 ‘10’。
3. 线程阻塞：此时，所有试图获取锁的线程（如线程 B 和 C）都会进入阻塞状态，并被放入 Monitor 的 EntryList 队列中等待。这些线程的状态会从 RUNNABLE 变为 BLOCKED。

第四阶段：重量级锁 (Heavyweight Locking)

运行机制：这是传统的 synchronized 锁的实现，依赖于操作系统底层的互斥量（Mutex Lock） 来实现。
过程：
- 持有锁的线程 A 在执行完同步代码后，会调用 monitorexit 指令来释放锁。
- 释放锁时，它会唤醒 EntryList 中阻塞的线程，这些线程需要重新竞争锁。
开销：线程的阻塞和唤醒需要操作系统的介入，导致从用户态切换到内核态，开销非常大。

总结与要点

锁状态	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁不需要CAS操作，性能开销极低	如果存在锁竞争，会带来额外的撤销开销	只有一个线程访问同步块
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度	如果始终得不到锁，自旋会消耗CPU	追求响应时间，同步块执行速度非常快
重量级锁	竞争的线程不使用CPU自旋，不会消耗CPU	线程阻塞，响应时间缓慢，用户态内核态切换慢	追求吞吐量，同步块执行时间较长，竞争激烈