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synchronized 锁升级机制详解

Java中的synchronized锁会经历一个从无锁到偏向锁，再到轻量级锁，最后到重量级锁的升级过程，这种优化称为锁升级或锁膨胀。以下是完整的锁升级流程和原理分析：

一、锁状态总览

锁状态	存储内容	适用场景	优缺点
无锁	对象正常状态	单线程访问	无竞争开销
偏向锁	线程ID + Epoch(时间戳)	同一线程重复访问	加解锁几乎无代价
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针	多线程交替访问	自旋消耗CPU
重量级锁	指向互斥量(mutex)的指针	多线程竞争激烈	线程阻塞唤醒开销大

二、锁升级完整流程

三、各阶段详细原理

1. 偏向锁（Biased Locking）

对象头结构：

|-------------------------------------------------------|--------------------|
|                  Mark Word (64 bits)                  |       State        |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| unused:25 | identity_hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | 01 |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|  thread:54 |       epoch:2       | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | 01 |
|-------------------------------------------------------|--------------------|

工作流程：

1. 第一个线程访问时，通过CAS将线程ID写入对象头
2. 该线程再次进入时只需检查线程ID是否匹配
3. 出现竞争时（另一个线程尝试获取锁），撤销偏向锁

JVM参数：

-XX:+UseBiasedLocking  # 启用偏向锁（JDK15后默认禁用）
-XX:BiasedLockingStartupDelay=4000  # 延迟启用时间(ms)

2. 轻量级锁（Lightweight Lock）

加锁过程：

1. 在当前线程栈帧中创建锁记录（Lock Record）
2. 拷贝对象头Mark Word到锁记录（Displaced Mark Word）
3. 用CAS将对象头替换为指向锁记录的指针
4. 成功则获取锁，失败则自旋或升级

对象头变化：

|-------------------------------------------------------|--------------------|
|               Pointer to Lock Record                  |       State        |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|              62 bits                 |      00        |       lightweight |
|-------------------------------------------------------|--------------------|

3. 重量级锁（Heavyweight Lock）

实现原理：

• 依赖操作系统互斥量（mutex）实现
• 未获取锁的线程进入阻塞状态
• 通过监视器（Monitor）管理，涉及用户态到内核态的切换

对象头结构：

|-------------------------------------------------------|--------------------|
|               Pointer to Heavyweight Monitor          |       State        |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|              62 bits                 |      10        |       heavyweight |
|-------------------------------------------------------|--------------------|

四、关键升级触发条件

升级路径	触发条件
无锁 → 偏向锁	第一个线程访问同步块
偏向锁 → 轻量级锁	第二个线程尝试获取锁（发生竞争）
轻量级锁 → 重量级锁	自旋超过阈值（-XX:PreBlockSpin，JDK6后自适应自旋）或第三个线程参与竞争

五、特殊处理机制

1. 批量重偏向（Bulk Rebias）

场景：当一类对象的偏向锁被多个线程访问，但未真正竞争时
行为：JVM会批量修改这些对象的偏向线程ID（epoch值递增）
阈值：默认20次（-XX:BiasedLockingBulkRebiasThreshold）

2. 批量撤销（Bulk Revoke）

场景：当一类对象的偏向锁总是发生竞争
行为：JVM会禁用该类的偏向锁功能
阈值：默认40次（-XX:BiasedLockingBulkRevokeThreshold）

六、锁升级性能影响

锁状态	适用场景	性能特点
偏向锁	单线程重复访问	加解锁几乎无开销（仅1次CAS）
轻量级锁	多线程交替访问	自旋消耗CPU，但避免线程阻塞
重量级锁	高并发竞争	线程阻塞/唤醒开销大（微秒级）

七、实战建议

1. 偏向锁优化：

   # 对明确存在竞争的类禁用偏向锁
   -XX:-UseBiasedLocking
   

2. 自旋优化：

   # 开启自适应自旋（默认开启）
   -XX:+UseSpinning
   -XX:PreBlockSpin=10  # 传统自旋次数（JDK6后无效）
   

3. 监控工具：

   # 查看锁竞争情况
   jstack <pid> | grep -A 10 "java.lang.Thread.State"# JFR记录锁事件
   jcmd <pid> JFR.start duration=60s filename=lock.jfr
   

八、与ReentrantLock对比

特性	synchronized	ReentrantLock
实现机制	JVM内置，自动升级	Java API实现
灵活性	相对固定	可中断、定时获取、公平锁等
性能	JDK6后优化接近ReentrantLock	高竞争下表现更好
锁降级	不支持	支持（通过ReadWriteLock）

锁升级机制是JVM对synchronized性能优化的核心设计，理解这一过程有助于：

• 正确评估同步代码性能
• 合理选择同步方案
• 针对性优化高并发场景