synchronized锁升级详解

synchronized锁升级详解

synchronized是Java中实现线程同步的关键字，它在JVM内部实现了锁的升级机制，从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁，这种优化是为了减少锁操作带来的性能开销。

1. 锁的四种状态

Java对象头中的Mark Word会记录锁的状态，主要有以下几种：

1. 无锁状态：对象未被任何线程锁定
2. 偏向锁状态：偏向于第一个访问锁的线程
3. 轻量级锁状态：多个线程交替执行同步块
4. 重量级锁状态：多个线程竞争同一把锁

2. 锁升级流程

2.1 偏向锁阶段

适用场景：只有一个线程访问同步块

工作原理：

• 当第一个线程访问同步块时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储偏向的线程ID
• 后续该线程进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁
• 只需要检查对象头的Mark Word是否存储了当前线程的偏向锁

优点：加锁和解锁不需要额外消耗，和非同步方法性能相差无几

升级时机：当另一个线程尝试获取锁时，偏向锁就会升级为轻量级锁

2.2 轻量级锁阶段

适用场景：多个线程交替执行同步块，没有真正竞争

加锁过程：

1. JVM在当前线程的栈帧中创建锁记录(Lock Record)空间
2. 将对象头中的Mark Word复制到锁记录中（Displaced Mark Word）
3. 尝试用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针
4. 如果成功，当前线程获得锁；如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程尝试使用自旋来获取锁

解锁过程：

1. 使用CAS操作将Displaced Mark Word替换回对象头
2. 如果成功，表示没有竞争发生；如果失败，表示存在竞争，锁会膨胀为重量级锁

优点：竞争的线程不会阻塞，提高了程序响应速度

升级时机：当自旋超过一定次数（默认10次，可用-XX:PreBlockSpin调整）或者有第三个线程尝试获取锁时，会升级为重量级锁

2.3 重量级锁阶段

适用场景：多个线程同时竞争同一把锁

工作原理：

• 依赖于操作系统底层的互斥量(mutex)实现
• 未获取到锁的线程会被阻塞，进入等待队列
• 需要从用户态切换到内核态，开销较大

特点：

• 线程阻塞和唤醒需要操作系统介入，消耗较大
• 适用于高并发场景，避免CPU空转

3. 锁升级图示

无锁状态 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁

4. 锁降级

HotSpot JVM中锁只能升级不能降级，但有一种特殊情况：在GC发生时，会暂停所有Java线程(STW)，此时会撤销所有偏向锁。

5. 相关JVM参数

• -XX:+UseBiasedLocking：启用偏向锁（JDK15后默认禁用）
• -XX:BiasedLockingStartupDelay=0：设置偏向锁启动延迟（默认4秒）
• -XX:+PrintFlagsFinal：查看JVM所有参数
• -XX:+PrintSynchronizationStatistics：打印同步统计信息

6. 实际应用建议

1. 对于低竞争场景，锁升级机制能显著提升性能
2. 高竞争场景下，可以考虑使用java.util.concurrent包中的显式锁
3. JDK15后默认禁用偏向锁，因为现代应用往往更适合轻量级锁或重量级锁

锁升级机制是JVM对synchronized性能优化的重要手段，理解这一机制有助于编写更高效的多线程程序。