鎖升級是 Java 中?synchronized 鎖?的核心優化機制（基于 JVM 的?對象頭 Mark Word?實現），指鎖的狀態從?無鎖 → 偏向鎖 → 輕量級鎖 → 重量級鎖?逐步升級的過程。其目的是通過 “按需升級”，在不同并發場景下選擇最優的鎖實現，平衡性能與線程安全。

一、鎖的四種狀態

在講解升級過程前，需先明確 synchronized 鎖的四種狀態（按開銷從小到大排序）：

二、鎖升級的完整過程

鎖升級的觸發條件是 “并發競爭加劇”，JVM 會根據線程競爭情況，自動將鎖從低開銷狀態升級到高開銷狀態，且升級過程是?單向的（不可逆）（如偏向鎖升級為輕量級鎖后，不會再降級為偏向鎖）。

1. 第一步：無鎖 → 偏向鎖

• 觸發場景：單線程首次獲取 synchronized 鎖時，JVM 為了減少鎖開銷，會將鎖初始化為 “偏向鎖”。
• 核心操作：
  1. 線程 A 嘗試獲取鎖時，檢查對象頭的?Mark Word（存儲對象鎖狀態的字段），發現當前是 “無鎖” 狀態。
  2. 通過?CAS 操作，將?Mark Word?中的 “鎖狀態” 改為 “偏向鎖”，并記錄線程 A 的 ID（threadId）和 “偏向時間戳”。
  3. 后續線程 A 再次進入 synchronized 代碼塊時，只需對比?Mark Word?中的線程 ID 是否為自己：
     • 是：直接重入鎖，無需任何 CAS 或阻塞操作（開銷極低）。
     • 否：觸發偏向鎖撤銷，進入下一步升級。

2. 第二步：偏向鎖 → 輕量級鎖

• 觸發場景：當有?第二個線程（線程 B）嘗試獲取同一把鎖?時，偏向鎖的 “單線程假設” 被打破，JVM 會撤銷偏向鎖，升級為 “輕量級鎖”。
• 核心操作：
  1. 線程 B 嘗試獲取鎖時，發現?Mark Word?記錄的是線程 A 的 ID（偏向鎖狀態），且線程 A 可能仍在執行（或已退出但未清理偏向鎖）。
  2. JVM 首先會?暫停線程 A，檢查線程 A 的狀態：
     • 若線程 A 已退出：將?Mark Word?重置為 “無鎖”，線程 B 重新嘗試 CAS 獲取輕量級鎖。
     • 若線程 A 仍在執行：撤銷偏向鎖（將?Mark Word?中的偏向狀態清除），進入輕量級鎖競爭。
  3. 輕量級鎖的競爭邏輯：
     • 線程 A 和線程 B 會分別在自己的?棧幀?中創建一個 “鎖記錄（Lock Record）”，存儲對象頭?Mark Word?的副本（稱為?Displaced Mark Word）。
     • 線程通過?CAS 操作，嘗試將對象頭的?Mark Word?指向自己的 “鎖記錄地址”：
       • 成功：獲取輕量級鎖，執行同步代碼。
       • 失敗：判斷當前鎖是否仍為輕量級鎖（未升級），若仍是，則自旋重試 CAS（避免阻塞）；若自旋次數超過閾值（默認 10 次，或自適應自旋），則進入下一步升級。

3. 第三步：輕量級鎖 → 重量級鎖

• 觸發場景：當?多個線程同時競爭鎖（如線程 A、B、C 同時嘗試獲取鎖），或輕量級鎖的?CAS 自旋重試失敗?時，輕量級鎖的 “交替執行假設” 被打破，JVM 會將鎖升級為 “重量級鎖”。
• 核心操作：
  1. 線程 C 嘗試 CAS 獲取輕量級鎖時，發現對象頭的?Mark Word?已指向線程 A 的鎖記錄（線程 A 持有輕量級鎖），且自旋重試多次后仍未成功。
  2. JVM 會將輕量級鎖的 “鎖狀態” 改為 “重量級鎖”，并將對象頭的?Mark Word?指向?操作系統的互斥量（Mutex）?地址。
  3. 此時未獲取到鎖的線程（如 B、C）會?放棄 CAS 自旋，轉而調用操作系統的?park()?方法，進入?阻塞狀態（內核態切換，開銷高）。
  4. 當持有鎖的線程 A 釋放鎖時，會通過操作系統的?unpark()?方法，喚醒阻塞隊列中的一個線程（如 B），線程 B 重新競爭重量級鎖。

三、關鍵細節：對象頭 Mark Word 的角色

鎖升級的本質是?對象頭 Mark Word 的狀態變化，不同鎖狀態下，Mark Word?的存儲內容不同（以 64 位 JVM 為例）：

JVM 通過讀取?Mark Word?的 “鎖狀態標識位”，即可判斷當前鎖的狀態，進而執行對應的升級邏輯。

四、鎖升級的核心目的

鎖升級的設計思想是 “因地制宜”：

單線程場景：用偏向鎖最小化鎖開銷（幾乎無成本）。

低并發場景：用輕量級鎖的 CAS 操作避免線程阻塞（用戶態操作，開銷低）。

高并發場景：用重量級鎖的互斥量保證線程安全（雖開銷高，但能穩定處理競爭）。

通過這種 “按需升級” 的機制，synchronized 鎖在不同并發場景下都能兼顧性能與安全性，避免了 “一刀切” 的鎖開銷問題（如早期 synchronized 直接使用重量級鎖，單線程場景下也有高開銷）。