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面试官：synchronized锁升级是什么？

在 Java 中，synchronized 锁升级是 JVM 为了优化同步性能而引入的机制（JDK 1.6+）。其核心思想是：根据线程竞争锁的激烈程度，动态调整锁的级别，从低开销的锁逐步升级到高开销的锁，从而减少不必要的性能损耗。

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锁升级的四个阶段

锁的升级过程遵循以下顺序（不可逆）：
无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁

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1. 无锁（No Lock）

• 场景：对象未被任何线程锁定。
• 特点：
  • 初始状态，无同步需求。
  • 适合线程不访问共享资源的场景（如只读操作）。

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2. 偏向锁（Biased Lock）

• 场景：锁始终被同一个线程访问（无竞争）。
• 原理：
  • 在对象头中记录偏向的线程 ID（通过 CAS 操作）。
  • 后续该线程进入同步代码时，无需任何同步操作（直接访问）。
• 优点：消除无竞争时的锁开销。
• 升级条件：
  • 当其他线程尝试竞争偏向锁时，偏向锁撤销（Revoke），升级为轻量级锁。

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3. 轻量级锁（Lightweight Lock）

• 场景：锁被多个线程交替访问（低竞争）。
• 原理：
  • 线程通过 CAS 自旋尝试获取锁（不会立即阻塞）。
  • 若自旋成功，对象头中存储指向锁记录的指针（Lock Record）。
  • 若自旋失败（超过阈值），升级为重量级锁。
• 优点：减少线程阻塞带来的上下文切换开销。
• 升级条件：
  • 自旋失败（竞争加剧），或等待线程超过一定数量（默认自旋 10 次或自适应调整）。

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4. 重量级锁（Heavyweight Lock）

• 场景：多线程高竞争。
• 原理：
  • 锁由 JVM 通过操作系统级 互斥量（Mutex） 实现。
  • 未获取锁的线程直接进入阻塞状态（BLOCKED），等待唤醒。
• 优点：避免 CPU 空转（自旋浪费资源）。
• 缺点：线程阻塞和唤醒涉及内核态切换，性能开销大。

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锁升级流程示意图

无锁 → (线程首次访问) → 偏向锁 → (出现竞争) → 轻量级锁 → (竞争激烈) → 重量级锁

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锁升级的底层实现

• 对象头（Object Header）：
  锁状态信息存储在对象头的 Mark Word 中，包含锁标志位、线程 ID、锁记录指针等。

  • 32 位 JVM 的 Mark Word 结构示例：

    | 锁状态   | 25 bits          | 4 bits         | 1 bit (偏向锁) | 2 bits (锁标志) |
    |----------|------------------|----------------|----------------|----------------|
    | 无锁     | 对象的 hashCode  | 分代年龄       | 0              | 01             |
    | 偏向锁   | 线程ID + Epoch   | 分代年龄       | 1              | 01             |
    | 轻量级锁 | 指向锁记录的指针 |                |                | 00             |
    | 重量级锁 | 指向 Monitor 的指针 |              |                | 10             |
    

• 锁升级触发：
  通过 JVM 内置的优化策略（如竞争检测、自旋次数统计）动态调整。

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锁升级的意义

1. 性能优化：

   • 避免无竞争或低竞争时直接使用重量级锁的开销。
   • 偏向锁和轻量级锁通过 CAS 和自旋减少线程阻塞。

2. 适应性：

   • 根据实际竞争强度动态调整，平衡吞吐量和响应时间。

3. 兼容性：

   • 保持 synchronized 的语法简洁性，开发者无需手动优化锁级别。

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示例：锁升级过程

public class LockUpgradeExample {private static final Object lock = new Object();public static void main(String[] args) {// 线程1首次访问：偏向锁new Thread(() -> {synchronized (lock) {System.out.println("Thread1 获取锁");}}).start();// 线程2竞争：升级为轻量级锁new Thread(() -> {synchronized (lock) {System.out.println("Thread2 获取锁");}}).start();// 高竞争场景：最终升级为重量级锁for (int i = 0; i < 10; i++) {new Thread(() -> {synchronized (lock) {try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}}}).start();}}
}

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注意事项

1. 锁降级：

   • JVM 不会主动降级锁（如重量级锁不会回退到轻量级锁）。
   • 降级仅在某些特殊场景下发生（如全局安全点检查）。

2. 偏向锁延迟：

   • JVM 默认在启动后 4 秒才启用偏向锁（通过 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 可关闭延迟）。

3. 禁用锁升级：

   • 通过 JVM 参数控制（如 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁）。

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