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核心思想

Java对象头（Object Header）与Mark Word

锁升级的详细步骤

1. 无锁（No Lock）

2. 偏向锁（Biased Locking）

3. 轻量级锁（Lightweight Lock）

4. 重量级锁（Heavyweight Lock）

流程图

总结与意义

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这是一个非常重要的概念，它主要是针对 synchronized 关键字在JVM层面的优化，目的是为了在保证线程安全的同时，尽量减少获取锁和释放锁带来的性能开销。

核心思想

锁升级的核心思想是：JVM会根据实际运行时锁的竞争情况，动态地将锁从低开销的状态升级为高开销、高保障的状态。

在Java早期版本中，synchronized 的实现非常直接，被称为“重量级锁”，性能较差。但从 HotSpot JDK 1.6 开始，JVM团队对 synchronized 进行了重大优化，引入了偏向锁和轻量级锁，以及锁升级的概念，使得它的性能得到了极大的提升，现在在很多场景下已经不再比 ReentrantLock 慢很多。

Java对象头（Object Header）与Mark Word

要理解锁升级，首先要知道Java对象在内存中的布局。每个Java对象在堆内存中都有一个对象头。

对象头主要包含两部分：

1. Mark Word：存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志等。这是锁升级机制的核心。

2. Klass Pointer：指向对象元数据的指针，JVM通过它来确定对象是哪个类的实例。

锁的状态信息就记录在 Mark Word 中。锁升级的过程，其实就是Mark Word中内容变化的过程。

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锁升级的详细步骤

锁的升级路径是单向的，从低到高：无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁。这个过程是不可逆的。

1. 无锁（No Lock）

• 状态：一个新创建的对象，还没有任何线程来竞争它。

• Mark Word：存储对象的哈希码、分代年龄等信息。锁标志位为 01。

2. 偏向锁（Biased Locking）

• 设计初衷：在没有实际竞争或只有一个线程多次使用锁的场景下，消除整个同步的开销（比如 StringBuffer 的很多方法都是 synchronized 的，但通常只会在单线程中使用）。

• 工作原理：当第一个线程访问同步块时，JVM会将锁置为偏向模式，并在Mark Word中记录这个线程的ID。之后这个线程再次进入和退出同步块时，不需要进行任何CAS操作来加锁和解锁，只需要简单检查一下Mark Word中是否存储着自己的线程ID。

• 升级触发条件：一旦有另一个线程来尝试获取这个锁（发生了竞争），偏向锁就会失效。

• 锁标志位：01 (同时有额外位标识是否为偏向模式)。

可以把它想象成“贴标签”：第一个线程来了，在对象上贴了个标签“此物归我所有”。以后它再来，看到自己的标签就直接用了。直到有另一个人也想来用，标签就被撕掉。

注意：由于维护偏向锁本身也有开销，且在实际多线程环境中，真正的无竞争场景并不多，从JDK 15开始，偏向锁已被默认禁用。但理解它对于理解整个锁升级体系依然至关重要。

3. 轻量级锁（Lightweight Lock）

• 设计初衷：当锁确实存在竞争，但竞争的激烈程度很低（即线程几乎是交替执行，没有同时抢锁），避免直接使用重量级锁带来的巨大开销。

• 工作原理：

  1. 当线程要获取锁时，JVM会在当前线程的栈帧中创建一个名为锁记录（Lock Record）的空间。

  2. 将对象头的Mark Word复制到锁记录中（称为Displaced Mark Word）。

  3. 线程尝试使用CAS操作将对象头的Mark Word替换为指向该锁记录的指针。

  4. 如果CAS成功，当前线程就获得了锁，此时锁标志位变为 00。

  5. 如果CAS失败（说明其他线程已经在竞争这个锁了），当前线程会尝试自旋（循环重试）来获取锁。

• 升级触发条件：如果自旋了一定次数后（JVM有自适应策略，自旋次数不固定）还没有获得锁，或者自旋期间又有第三个线程来竞争，轻量级锁就会膨胀为重量级锁。

• 锁标志位：00

可以把它想象成“抢凳子”：大家（线程）礼貌地转着圈（自旋）等凳子（锁），谁先坐下谁就用。但如果等太久或者人太多，游戏规则就变了。

4. 重量级锁（Heavyweight Lock）

• 设计初衷：处理高激烈度的锁竞争场景。

• 工作原理：此时锁会向操作系统内核申请互斥量（Mutex）。未能获取到锁的线程会被挂起（进入阻塞状态），并放入一个等待队列中。当锁被释放时，操作系统会负责唤醒等待队列中的线程，让它们重新竞争锁。

• 开销：这个过程中涉及用户态到内核态的切换、线程的挂起和唤醒，是开销最大的一种锁状态。

• 锁标志位：10

可以把它想象成“正式排队”：没拿到锁的人不再自己傻等，而是去休息室（等待队列）睡觉（阻塞），由管理员（操作系统）叫号唤醒。

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流程图

下图清晰地展示了锁升级的全过程：

总结与意义

1. 优化目的：锁升级是一种“按需付费”的优化机制。JVM会根据竞争的激烈程度，从低开销的方案开始尝试，只有在不得已时才会使用开销最大的方案。这极大地提高了 synchronized 在常见场景下的性能。

2. 不可逆性：锁只能升级，不能降级。这是为了节省在激烈竞争环境下不必要的降级开销。

3. 实际应用：对于开发者来说，这个过程是完全透明的，由JVM自动完成。我们只需要安心使用 synchronized 关键字，JVM会在背后为我们选择最优的锁方案。

4. 与ReentrantLock的对比：ReentrantLock 的实现更类似于“一开始就是重量级锁”的思路（虽然它也在用户态做了很多优化，如CAS自旋），但它提供了更灵活的功能（如可中断、公平锁等）。而 synchronized 的优势在于语法简洁和JVM的自动优化。