jvm 鎖升級機制

??Java 虛擬機（JVM）中的鎖升級機制（也稱為鎖膨脹）是 HotSpot 虛擬機為了優化 synchronized 關鍵字的性能而引入的一項重要技術。它的核心思想是：根據實際遇到的競爭激烈程度，動態地將鎖從開銷最小的狀態逐步升級到開銷更大的狀態，從而在無競爭或低競爭時減少鎖操作的開銷，而在高競爭時保證必要的互斥性和線程調度能力。

鎖的狀態主要有四種，升級路徑如下：

無鎖 -> 偏向鎖 -> 輕量級鎖 -> 重量級鎖

鎖只能升級（膨脹），不能降級（雖然理論上重量級鎖在競爭消失后可以降級，但HotSpot 實現中為了簡化，很少進行降級，尤其是從重量級鎖降級）。

1. 無鎖狀態

初始狀態： 當一個對象剛被創建出來，且沒有任何線程嘗試獲取它的鎖時，它就處于無鎖狀態。
特點： 沒有鎖的開銷。
適用場景： 對象從未被同步訪問或只被單個線程訪問（無需同步）。

2. 偏向鎖

設計目標： 優化同一個線程重復進入同步塊的場景（無實際競爭）。消除在無競爭情況下的同步原語開銷（如 CAS）。
工作原理：
1. 當第一個線程（T1）訪問同步塊時，JVM 會檢查對象頭中的 Mark Word。
2. 如果當前是無鎖狀態，JVM 使用 CAS 操作嘗試將 Mark Word 中的線程 ID 設置為 T1 的 ID，并將鎖標志位設置為偏向模式。
3. 如果 CAS 成功，T1 就持有了該對象的偏向鎖。后續只要 T1 進入這個同步塊，無需再進行任何同步操作（如 CAS 或鎖申請），只需簡單檢查對象頭中的線程 ID 是否還是自己。
升級觸發：
- 競爭出現： 當另一個線程（T2）嘗試獲取這個已經被偏向于 T1 的鎖時，偏向鎖就會失效。
- JVM 會撤銷偏向鎖。撤銷過程需要等待持有偏向鎖的線程（T1）到達全局安全點（Safepoint），暫停 T1。
- 檢查 T1 的狀態：
  - 如果 T1 已經退出同步塊（不再持有鎖），則將對象頭設置為無鎖狀態（或者根據情況嘗試重新偏向給 T2）。
  - 如果 T1 仍在同步塊中，則將鎖升級為輕量級鎖。JVM 會在 T1 的棧幀中創建一個鎖記錄（Lock Record），并將對象頭的 Mark Word 復制到該鎖記錄中（稱為 Displaced Mark Word），然后用 CAS 操作將對象頭指向 T1 棧幀中的鎖記錄地址（輕量級鎖狀態）。
特點： 適用于只有一個線程反復訪問同步塊的場景。加鎖解鎖幾乎無額外開銷。撤銷偏向鎖有代價（需要暫停線程）。
關閉偏向鎖： 由于偏向鎖在存在競爭時撤銷有開銷，且現代應用中共享數據競爭往往更常見，從 JDK 15 開始，偏向鎖默認被禁用（可通過 -XX:+UseBiasedLocking 開啟，但已不推薦）。

3. 輕量級鎖

設計目標： 優化多個線程交替執行同步塊，但未發生真正并發競爭的場景（低競爭）。避免直接使用重量級鎖帶來的操作系統內核態切換的開銷。
工作原理：
1. 當線程嘗試獲取輕量級鎖時（可能是從無鎖升級而來，也可能是從偏向鎖撤銷升級而來），JVM 會在當前線程的棧幀中創建一個鎖記錄空間。
2. 將對象頭的 Mark Word 復制到該鎖記錄中（稱為 Displaced Mark Word）。
3. 然后線程嘗試使用 CAS 操作將對象頭中的 Mark Word 替換為指向該鎖記錄的指針。
  - 如果 CAS 成功，當前線程獲得輕量級鎖。鎖標志位變為 00。
  - 如果 CAS 失敗（說明對象頭已被其他線程修改，即發生了競爭），當前線程會自旋（循環嘗試 CAS）一小段時間（自適應自旋）。
    - 如果在自旋期間成功獲取到鎖，則繼續執行。
    - 如果自旋結束仍未成功，或者自旋過程中競爭加劇（如又有新線程加入競爭），則鎖升級為重量級鎖。
解鎖過程： 使用 CAS 操作將 Displaced Mark Word 替換回對象頭。
- 如果成功，解鎖完成。
- 如果失敗（說明鎖已經膨脹為重量級鎖），則在釋放鎖的同時喚醒等待線程。
特點： 使用 CAS 和自旋代替互斥量，避免了用戶態到內核態的切換，適用于線程阻塞時間非常短的場景（“忙等”）。自旋會消耗 CPU。如果鎖持有時間較長或競爭激烈，自旋會浪費 CPU，性能反而下降。
升級觸發： CAS 失敗且自旋獲取鎖失敗（或自適應策略判斷競爭激烈）、調用 wait() 方法（因為 wait() 需要重量級鎖的監視器模型支持）。

4. 重量級鎖

設計目標： 處理高并發、激烈競爭的場景。保證在任意時刻只有一個線程能進入同步塊。
工作原理：
- 當鎖升級到重量級鎖時，對象頭中的 Mark Word 會指向一個與對象關聯的監視器鎖（Monitor，也稱為管程或互斥鎖），這個結構通常存在于堆中。
- 該 Monitor 內部維護了一個入口隊列（Entry Set） 和一個等待隊列（Wait Set）。
- 當一個線程嘗試獲取重量級鎖時：
  - 如果鎖可用（未被持有），則獲取成功，成為鎖的持有者。
  - 如果鎖已被其他線程持有，則當前線程會被阻塞（Park），并被操作系統掛起，放入入口隊列等待喚醒。這涉及到用戶態到內核態的切換（線程上下文切換），開銷最大。
- 當持有鎖的線程釋放鎖時，它會喚醒入口隊列中的某個或所有等待線程（具體策略取決于實現，如公平/非公平），被喚醒的線程會重新嘗試獲取鎖。
特點： 真正的互斥鎖。阻塞線程，不消耗 CPU 空轉。適用于競爭激烈或臨界區執行時間較長的場景。線程阻塞、喚醒、上下文切換開銷很大。
升級觸發： 輕量級鎖自旋失敗、調用 Object.wait() 方法（強制升級）。

總結鎖升級機制

鎖狀態	目標場景	核心機制	優點	缺點	升級觸發條件
無鎖	無同步訪問	-	無開銷	無法提供線程安全	首次線程訪問
偏向鎖	單線程重復訪問	CAS 設置 Thread ID	同一線程后續進入無開銷	競爭時撤銷開銷大（需暫停線程）	第二個線程嘗試獲取鎖
輕量級鎖	低競爭（交替執行）	CAS + 自旋 (棧鎖記錄)	避免內核切換，開銷小	自旋消耗 CPU，長時間競爭性能下降	CAS失敗且自旋失敗 / 調用 `wait()`
重量級鎖	高競爭	操作系統 Monitor	阻塞線程，不消耗 CPU 空轉	阻塞/喚醒開銷大（內核切換）	輕量級鎖升級失敗 / 顯式調用 `wait()`

關鍵點

自適應自旋： 輕量級鎖中的自旋次數不是固定的，JVM 會根據之前在該鎖上的自旋成功情況以及持有者的狀態，動態調整自旋時間（適應性自旋）。
鎖消除： JIT 編譯器在運行時，通過逃逸分析如果發現某個鎖對象不可能被其他線程訪問到（即不會發生競爭），它會將這個鎖操作完全消除掉。
鎖粗化： 如果 JVM 檢測到有一連串連續的操作都對同一個對象反復加鎖和解鎖（即使是在循環中），它可能會將加鎖的范圍擴大（粗化）到整個操作序列的外部，從而減少不必要的鎖申請/釋放次數。
偏向鎖的爭議與默認關閉： 在現代多核、高并發環境下，共享數據的競爭是常態，偏向鎖在首次獲得和撤銷時的開銷，以及它對應用程序啟動性能的影響（大量類初始化時偏向鎖操作）變得不可忽視。自 JDK 15 起，偏向鎖默認被禁用，輕量級鎖成為更常見的起點。-XX:-UseBiasedLocking 可以顯式關閉它（在 JDK 15+ 已經是默認行為）。
hashCode() 的影響： 當調用一個未被覆蓋的 Object.hashCode() 或 System.identityHashCode() 時，如果對象處于偏向鎖或輕量級鎖狀態，會導致鎖撤銷或升級，因為無鎖狀態下的 Mark Word 需要存儲哈希碼。

理解鎖升級的意義

鎖升級機制體現了 JVM 在性能與正確性之間所做的精妙平衡：

無競爭/低競爭： 最大程度減少開銷（偏向鎖、輕量級鎖）。
高競爭： 保證正確性和線程調度的公平性/效率，接受較大的開銷（重量級鎖）。

了解鎖升級機制對于編寫高效、正確的并發程序至關重要。它解釋了為什么簡單的 synchronized 在低競爭場景下性能可以非常好，而在高競爭場景下性能會顯著下降。在需要極高并發性能的場景下，開發者可能會選擇更靈活、可優化的顯式鎖（如 ReentrantLock），但 synchronized 結合鎖升級在大多數場景下已經是非常高效且簡潔的選擇。