Java中的锁升级过程与synchronized实现原理详解

1. 知识点描述
锁升级是synchronized关键字在JDK 6之后引入的重要优化机制，它通过从无锁状态逐步升级到重量级锁的方式，在不同竞争条件下采用不同的锁策略，有效平衡了性能开销和线程安全。理解这个过程需要掌握对象头结构、锁状态变迁以及底层实现原理。

2. 对象头结构（锁的存储基础）

• 每个Java对象在堆内存中都包含对象头，其中Mark Word是锁实现的关键
• Mark Word结构（以64位系统为例）：
  • 无锁状态：25位哈希码 + 4位分代年龄 + 1位偏向模式(0) + 2位锁标志(01)
  • 偏向锁：54位线程ID + 2位Epoch + 1位分代年龄 + 1位偏向模式(1) + 2位锁标志(01)
  • 轻量级锁：62位指向栈中锁记录的指针 + 2位锁标志(00)
  • 重量级锁：62位指向监视器Monitor的指针 + 2位锁标志(10)

3. 锁升级的完整过程

步骤1：无锁状态

• 对象刚创建时处于无锁状态
• 当第一个线程访问同步代码块时，检查锁标志位为01，准备进入锁状态

步骤2：偏向锁（单线程优化）

• 目标：消除无竞争情况下的同步开销
• 具体过程：
  1. 线程检查对象头中的偏向模式位
  2. 如果为可偏向（匿名偏向状态），通过CAS操作将线程ID写入Mark Word
  3. 成功后，该线程再次进入同步块时只需检查线程ID是否匹配
  4. 匹配成功则直接执行，无需任何同步操作
• 优势：只有第一次需要CAS操作，后续几乎零开销

步骤3：轻量级锁（多线程交替执行）

• 触发条件：当有第二个线程尝试获取锁时，发生锁竞争
• 具体过程：
  1. 在安全点暂停拥有偏向锁的线程
  2. 检查原持有线程是否存活或已退出同步块
  3. 如果已退出，撤销偏向锁恢复到无锁状态
  4. 如果仍在执行，升级为轻量级锁：
     • 在当前线程的栈帧中创建锁记录（Lock Record）
     • 通过CAS将对象头的Mark Word复制到锁记录中
     • 然后用CAS将对象头替换为指向锁记录的指针
• 轻量级锁通过CAS自旋尝试获取锁，适用于线程交替执行的场景

步骤4：重量级锁（激烈竞争）

• 触发条件：轻量级锁自旋失败（默认自旋10次或自适应自旋）
• 具体过程：
  1. 锁膨胀：创建ObjectMonitor对象（重量级锁的核心）
  2. 将对象头Mark Word指向ObjectMonitor
  3. 竞争线程进入等待队列，从用户态切换到内核态
  4. 依赖操作系统的互斥量实现线程阻塞和唤醒
• 特点：真正的互斥锁，开销大但能应对高并发场景

4. 锁的降级机制

• 重量级锁不会降级到轻量级锁（设计选择）
• 但存在批量重偏向和批量撤销优化：
  • 当一类对象的偏向锁撤销次数超过阈值（默认20次）
  • JVM会认为该类不适合使用偏向锁，后续对象直接使用轻量级锁

5. 实际应用示例

public class LockUpgradeExample {
    private final Object lock = new Object();
    private int count = 0;
    
    public void increment() {
        synchronized(lock) {  // 这里会发生完整的锁升级过程
            count++;
        }
    }
}

• 第一次执行：无锁 → 偏向锁
• 第二个线程进入：偏向锁 → 轻量级锁
• 多个线程竞争：轻量级锁 → 重量级锁

6. 优化建议

• 明确对象生命周期：短生命周期对象禁用偏向锁（-XX:-UseBiasedLocking）
• 控制锁粒度：减小同步代码块范围
• 避免不必要的同步：使用线程安全类或无锁编程
• 监控锁竞争：通过JStack等工具分析锁状态

这个锁升级过程体现了JVM在运行时根据实际竞争情况动态优化的能力，是理解Java并发编程底层实现的重要基础。