synchronized 的锁升级机制详解

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synchronized 的锁升级机制详解

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
• 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）
• 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
• 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

1. 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
2. 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

锁升级的优缺点

实际应用建议

1. 避免过度同步： 缩小同步代码块范围，减少锁竞争概率。
2. 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
3. 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();
        }
    }
}

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