Java synchronized 锁升级机制

Java 中 synchronized 关键字实现的锁是可升级的 biased lock，从无锁状态开始，根据竞争情况逐步升级：偏向锁（Biased Locking）→ 轻量级锁（Lightweight Locking）→ 重量级锁（Heavyweight Locking）。此设计旨在减少 uncontended 同步的性能开销，同时保证高竞争场景下的正确性。

Mark Word 结构

HotSpot 在对象头（Object Header）中存储锁状态。对象头分为两部分：

锁状态由对象头的最后 2 位标识：

64 位 JVM 默认开启 -XX:+UseCompressedOops（压缩普通对象指针），对象头实际占用 96 位（mark word 64 位 + type pointer 32 位）。

锁升级流程

1. 偏向锁（Biased Locking）阶段

触发条件：锁对象第一次被线程获取，且 JVM 开启偏向锁（默认开启，JDK 15+ 默认关闭，可通过 -XX:+UseBiasedLocking 开启）。

流程：

1. 对象 Mark Word 为 01（无锁状态），计算对象的 hash code 并存储（调用 System.identityHashCode() 时也会触发）
2. 线程 A 进入同步块时，CAS 将 Mark Word 的偏向线程 ID 字段设置为当前线程 ID
• CAS 成功：获取偏向锁，Mark Word 仍为 01，但偏向线程 ID 指向线程 A
• CAS 失败：表示已有其他线程持有偏向锁，触发偏向锁撤销
3. 偏向锁撤销流程：
• 检查持有偏向锁的线程是否存活
• 若存活且该线程仍在同步块中，则升级为轻量级锁
• 若已退出同步块，则撤销偏向锁，恢复为无锁状态，等待下次竞争时重新偏向

优化：偏向锁撤销时，可使用批量重偏向（bulk rebias） 和批量撤销（bulk revoke） 机制，减少 CAS 失败带来的开销。

2. 轻量级锁（Lightweight Locking）阶段

触发条件：

• 偏向锁撤销
• 多个线程交替执行同步块（非并发竞争）
• 对象 hash code 已计算（偏向锁失效）

流程：

1. 每个线程在栈帧中创建 Lock Record（锁记录，也叫 Displaced Mark Word）
• Lock Record 结构：[lock record pointer | empty | ... ]
• 将对象当前 Mark Word 复制到 Lock Record 的 displaced mark word 字段
2. 线程使用 CAS 将对象 Mark Word 指向自己的 Lock Record（指针）
• CAS 成功：获取轻量级锁，Mark Word 标志位变为 00
• CAS 失败：表示有竞争，自旋（spin）等待
3. 自旋优化：
• 默认自旋次数：-XX:PreBlockSpin（JDK 6 默认 10 次，后续版本自适应调整）
• 自旋期间若锁释放，则 CAS 成功获取锁
• 若自旋超过阈值，升级为重量级锁

3. 重量级锁（Heavyweight Locking）阶段

触发条件：

• 轻量级锁自旋失败（竞争线程 > 1）
• 锁持有时间超过自旋阈值
• 调用 wait() / notify() 等需要操作系统参与的 API

流程：

1. JVM 在堆内存中创建 Monitor 对象（java.lang.Object 的 monitor 字段）
2. 将对象 Mark Word 更新为指向 Monitor 的指针，标志位变为 10
3. 竞争线程进入 Entry Set（入口等待队列），通过操作系统 mutex 阻塞
4. 锁释放时，Monitor 从 Wait Set（等待队列）或 Entry Set 中唤醒一个线程

开销：涉及用户态→内核态切换，性能大幅下降（千年级别开销）。

升级条件总结

锁降级（Lock Downgrade）

降级场景：重量级锁持有期间，等待线程调用 wait() 进入 Wait Set，此时 Monitor 仍为重量级状态；当持有线程调用 notify() 并退出同步块后，Monitor 会降级为轻量级锁或偏向锁（若只有一个线程重新竞争）。

注意：重量级锁不会直接降级为偏向锁（需先撤销偏向），但会在特定条件下重新偏向。

关键参数调优

最佳实践

1. 减小锁粒度：使用细粒度锁（如 ConcurrentHashMap 的分段锁）减少竞争
2. 锁分离：读写锁（ReentrantReadWriteLock）、StampedLock 乐观读
3. 避免锁嵌套：防止死锁和锁升级开销
4. 使用无锁结构：AtomicInteger、LongAdder（高并发累加场景）
5. 合理设置锁超时：tryLock(timeout) 避免无限等待
6. 减少同步块范围：同步代码块尽可能简短
7. 谨慎使用 synchronized 修饰方法：方法级锁粒度较粗，考虑改为块级锁

面试要点

• 核心：理解偏向锁、轻量级锁、重量级锁三阶段升级的触发条件和性能特征
• Mark Word：掌握对象头的锁标志位和存储内容
• CAS 与自旋：轻量级锁通过 CAS + 自旋实现，降低线程阻塞开销
• Monitor 机制：重量级锁依赖操作系统 mutex，涉及用户态/内核态切换
• 适用场景：
• 偏向锁：单线程反复执行同步块
• 轻量级锁：多线程交替执行，无并发
• 重量级锁：多线程并发竞争
• 参数调优：能够解释常见 JVM 参数的作用和适用场景
• 锁消除（Lock Elimination）：JIT 编译时通过逃逸分析移除不必要的锁
• 锁粗化（Lock Coarsening）：JVM 将多个相邻同步块合并为一个

常见问题

Q：synchronized 为什么比 ReentrantLock 慢？A：ReentrantLock 基于 AQS 实现，支持非公平/公平锁、可中断、超时等高级特性；synchronized 是 JVM 内置锁，在 JDK 6 后已优化至与 ReentrantLock 性能相当，但在复杂场景下 ReentrantLock 更灵活。

Q：偏向锁在什么情况下会失效？A：

• 调用 System.identityHashCode(obj) 计算 hash code
• 锁撤销（另一线程竞争）
• 调用 wait() / notify()（需升级为重量级锁）
• 批量重偏向或批量撤销达到阈值

Q：轻量级锁自旋过多会有什么问题？A：自旋占用 CPU 资源，若长时间无法获取锁，会导致 CPU 利用率飙升，影响其他线程执行。

Q：如何查看锁状态？A：

• jstack <pid>：查看线程栈，识别 BLOCKED / WAITING 状态
• jstat -gc <pid>：监控 GC，间接判断锁竞争
• -XX:+PrintSafepointStatistics：查看安全点停顿时间（包含锁升级开销）

性能对比（近似值）

数值仅为相对参考，实际性能受 JVM 版本、硬件、锁持有时间等多因素影响。