synchronized 的锁升级机制详解
原创
synchronized 是 Java 中实现线程同步的核心机制，其锁状态会随着竞争激烈程度动态升级，以提高并发性能。从 无锁 到 重量级锁 的升级过程包括四个阶段，且 不可逆。以下是具体流程及原理：
1. 无锁状态
- 特点： 对象初始化时处于无锁状态，此时没有线程持有锁。Mark Word（对象头的一部分）中存储对象的哈希码、分代年龄等信息，锁标志位为
01 - 适用场景： 单线程环境或未发生竞争的情况。
2. 偏向锁
- 设计目的： 减少同一线程重复获取锁的开销（如单线程执行同步代码块）
- 实现原理：
- 首次获取锁时，JVM 将线程 ID 记录到 Mark Word 中，并将锁标志位设为
01（偏向锁标识位为1）。 - 后续同一线程访问时，无需 CAS 操作，直接检查线程 ID 即可快速获取锁
- 首次获取锁时，JVM 将线程 ID 记录到 Mark Word 中，并将锁标志位设为
- 升级条件： 当其他线程尝试竞争锁时，偏向锁撤销（需等待全局安全点），并升级为轻量级锁
3. 轻量级锁
- 设计目的： 减少多线程交替执行时的阻塞开销，避免直接升级到重量级锁
- 实现原理：
- 线程通过 CAS 操作将 Mark Word 替换为指向栈帧中锁记录的指针，锁标志位变为
00。 - 若 CAS 失败（存在竞争），线程进入自旋等待（空转循环），尝试有限次数的重试（默认 10 次，JDK 1.7 后引入适应性自旋）
- 线程通过 CAS 操作将 Mark Word 替换为指向栈帧中锁记录的指针，锁标志位变为
- 升级条件：
- 自旋超过阈值仍无法获取锁。
- 竞争线程数超过 1（如三个线程同时竞争）
4. 重量级锁
- 设计目的： 应对高并发竞争场景，通过操作系统互斥量（Mutex）实现阻塞机制
- 实现原理：
- Mark Word 中存储指向 Monitor 对象（C++ 实现）的指针，锁标志位变为
10。 - 未获取锁的线程进入阻塞队列，由操作系统调度唤醒
- Mark Word 中存储指向 Monitor 对象（C++ 实现）的指针，锁标志位变为
- 缺点： 涉及用户态到内核态的切换，性能开销较大
锁升级的关键特性
- 不可逆性： 锁只能从低级别（如偏向锁）升级到高级别（如重量级锁），无法降级。这是为了避免频繁状态切换的开销
- 动态适应性： JVM 根据线程竞争情况自动选择锁策略，例如：
- 低竞争：偏向锁或轻量级锁减少开销。
- 高竞争：重量级锁保证线程安全
锁升级的触发条件与流程
锁状态 | 触发条件 | Mark Word 变化 |
|---|---|---|
无锁 | 对象初始化时 | 哈希码 + 分代年龄 + 锁标志位 01 |
偏向锁 | 首次线程访问同步块 | 线程 ID + 锁标志位 01（偏向标识位 1） |
轻量级锁 | 多线程交替竞争或偏向锁撤销 | 栈帧锁记录指针 + 锁标志位 00 |
重量级锁 | 自旋失败或竞争线程数过多 | Monitor 指针 + 锁标志位 10 |
锁升级的优缺点
优点 | 缺点 |
|---|---|
减少无竞争场景下的同步开销 5 54 | 重量级锁的阻塞机制导致高延迟 11 72 |
自适应不同并发场景，平衡性能与安全性 11 | 锁升级不可逆，可能过度升级到重量级锁 54 |
实际应用建议
- 避免过度同步： 缩小同步代码块范围，减少锁竞争概率。
- 监控锁状态： 使用工具（如 JOL）查看对象头信息，分析锁升级过程
- 替代方案： 在高并发场景下，可结合
ReentrantLock或StampedLock提升灵活性
通过理解锁升级机制，开发者可以更好地优化多线程程序的性能，避免因锁竞争导致的性能瓶颈
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
public class LockUpgradeExample {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 创建一个对象
Object obj = new Object();
System.out.println("===== 初始状态（无锁） =====");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
// 偏向锁延迟（默认 4s），确保偏向锁生效
Thread.sleep(5000);
// 首次获取锁，触发偏向锁
synchronized (obj) {
System.out.println("===== 偏向锁状态 =====");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
}
// 创建多个线程竞争锁，触发轻量级锁
for (int i = 0; i < 2; i++) {
new Thread(() -> {
synchronized (obj) {
System.out.println("===== 轻量级锁状态 =====");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
}
}).start();
Thread.sleep(1000);
}
// 高竞争场景，触发重量级锁
for (int i = 0; i < 3; i++) {
new Thread(() -> {
synchronized (obj) {
System.out.println("===== 重量级锁状态 =====");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
}
}).start();
}
}
}原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。
如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。
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