目錄

核心思想

Java對象頭（Object Header）與Mark Word

鎖升級的詳細步驟

1. 無鎖（No Lock）

2. 偏向鎖（Biased Locking）

3. 輕量級鎖（Lightweight Lock）

4. 重量級鎖（Heavyweight Lock）

流程圖

總結與意義

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這是一個非常重要的概念，它主要是針對?synchronized?關鍵字在JVM層面的優化，目的是為了在保證線程安全的同時，盡量減少獲取鎖和釋放鎖帶來的性能開銷。

核心思想

鎖升級的核心思想是：JVM會根據實際運行時鎖的競爭情況，動態地將鎖從低開銷的狀態升級為高開銷、高保障的狀態。

在Java早期版本中，synchronized?的實現非常直接，被稱為“重量級鎖”，性能較差。但從?HotSpot JDK 1.6?開始，JVM團隊對?synchronized?進行了重大優化，引入了偏向鎖和輕量級鎖，以及鎖升級的概念，使得它的性能得到了極大的提升，現在在很多場景下已經不再比?ReentrantLock?慢很多。

Java對象頭（Object Header）與Mark Word

要理解鎖升級，首先要知道Java對象在內存中的布局。每個Java對象在堆內存中都有一個對象頭。

對象頭主要包含兩部分：

1. Mark Word：存儲對象自身的運行時數據，如哈希碼、GC分代年齡、鎖狀態標志等。這是鎖升級機制的核心。

2. Klass Pointer：指向對象元數據的指針，JVM通過它來確定對象是哪個類的實例。

鎖的狀態信息就記錄在?Mark Word?中。鎖升級的過程，其實就是Mark Word中內容變化的過程。

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鎖升級的詳細步驟

鎖的升級路徑是單向的，從低到高：無鎖 -> 偏向鎖 -> 輕量級鎖 -> 重量級鎖。這個過程是不可逆的。

1. 無鎖（No Lock）

• 狀態：一個新創建的對象，還沒有任何線程來競爭它。

• Mark Word：存儲對象的哈希碼、分代年齡等信息。鎖標志位為?01。

2. 偏向鎖（Biased Locking）

• 設計初衷：在沒有實際競爭或只有一個線程多次使用鎖的場景下，消除整個同步的開銷（比如?StringBuffer?的很多方法都是?synchronized?的，但通常只會在單線程中使用）。

• 工作原理：當第一個線程訪問同步塊時，JVM會將鎖置為偏向模式，并在Mark Word中記錄這個線程的ID。之后這個線程再次進入和退出同步塊時，不需要進行任何CAS操作來加鎖和解鎖，只需要簡單檢查一下Mark Word中是否存儲著自己的線程ID。

• 升級觸發條件：一旦有另一個線程來嘗試獲取這個鎖（發生了競爭），偏向鎖就會失效。

• 鎖標志位：01?(同時有額外位標識是否為偏向模式)。

可以把它想象成“貼標簽”：第一個線程來了，在對象上貼了個標簽“此物歸我所有”。以后它再來，看到自己的標簽就直接用了。直到有另一個人也想來用，標簽就被撕掉。

注意：由于維護偏向鎖本身也有開銷，且在實際多線程環境中，真正的無競爭場景并不多，從JDK 15開始，偏向鎖已被默認禁用。但理解它對于理解整個鎖升級體系依然至關重要。

3. 輕量級鎖（Lightweight Lock）

• 設計初衷：當鎖確實存在競爭，但競爭的激烈程度很低（即線程幾乎是交替執行，沒有同時搶鎖），避免直接使用重量級鎖帶來的巨大開銷。

• 工作原理：

  1. 當線程要獲取鎖時，JVM會在當前線程的棧幀中創建一個名為鎖記錄（Lock Record）的空間。

  2. 將對象頭的Mark Word復制到鎖記錄中（稱為Displaced Mark Word）。

  3. 線程嘗試使用CAS操作將對象頭的Mark Word替換為指向該鎖記錄的指針。

  4. 如果CAS成功，當前線程就獲得了鎖，此時鎖標志位變為?00。

  5. 如果CAS失敗（說明其他線程已經在競爭這個鎖了），當前線程會嘗試自旋（循環重試）來獲取鎖。

• 升級觸發條件：如果自旋了一定次數后（JVM有自適應策略，自旋次數不固定）還沒有獲得鎖，或者自旋期間又有第三個線程來競爭，輕量級鎖就會膨脹為重量級鎖。

• 鎖標志位：00

可以把它想象成“搶凳子”：大家（線程）禮貌地轉著圈（自旋）等凳子（鎖），誰先坐下誰就用。但如果等太久或者人太多，游戲規則就變了。

4. 重量級鎖（Heavyweight Lock）

• 設計初衷：處理高激烈度的鎖競爭場景。

• 工作原理：此時鎖會向操作系統內核申請互斥量（Mutex）。未能獲取到鎖的線程會被掛起（進入阻塞狀態），并放入一個等待隊列中。當鎖被釋放時，操作系統會負責喚醒等待隊列中的線程，讓它們重新競爭鎖。

• 開銷：這個過程中涉及用戶態到內核態的切換、線程的掛起和喚醒，是開銷最大的一種鎖狀態。

• 鎖標志位：10

可以把它想象成“正式排隊”：沒拿到鎖的人不再自己傻等，而是去休息室（等待隊列）睡覺（阻塞），由管理員（操作系統）叫號喚醒。

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流程圖

下圖清晰地展示了鎖升級的全過程：

總結與意義

1. 優化目的：鎖升級是一種“按需付費”的優化機制。JVM會根據競爭的激烈程度，從低開銷的方案開始嘗試，只有在不得已時才會使用開銷最大的方案。這極大地提高了?synchronized?在常見場景下的性能。

2. 不可逆性：鎖只能升級，不能降級。這是為了節省在激烈競爭環境下不必要的降級開銷。

3. 實際應用：對于開發者來說，這個過程是完全透明的，由JVM自動完成。我們只需要安心使用?synchronized?關鍵字，JVM會在背后為我們選擇最優的鎖方案。

4. 與ReentrantLock的對比：ReentrantLock?的實現更類似于“一開始就是重量級鎖”的思路（雖然它也在用戶態做了很多優化，如CAS自旋），但它提供了更靈活的功能（如可中斷、公平鎖等）。而?synchronized?的優勢在于語法簡潔和JVM的自動優化。