Java中的偏向锁、轻量级锁与重量级锁详解 在Java多线程编程中，synchronized关键字用于实现线程同步，确保共享资源的安全访问。为了优化synchronized的性能，JVM引入了锁升级机制，主要包括偏向锁、轻量级锁和重量级锁。下面我将详细解释这三种锁的概念、升级过程及其原理。 1. 锁升级的背景 问题 ：早期的synchronized直接使用操作系统级别的互斥锁（重量级锁），涉及用户态到内核态的切换，性能开销大。 优化思路 ：统计发现，大部分多线程场景下，锁竞争并不激烈。因此，JVM采用"渐进式"策略，根据实际竞争情况动态升级锁，减少不必要的开销。 2. 对象头与锁状态 对象头结构 ：每个Java对象在内存中分为对象头、实例数据和对齐填充。对象头包含Mark Word（存储哈希码、GC年龄、锁标志等）和类型指针。 Mark Word的锁状态标志 ： 无锁状态：锁标志位为"01"，是否偏向锁为"0"。 偏向锁：锁标志位为"01"，是否偏向锁为"1"。 轻量级锁：锁标志位为"00"。 重量级锁：锁标志位为"10"。 GC标记：锁标志位为"11"。 3. 偏向锁（Biased Locking） 设计目标 ：在无竞争或只有一个线程访问同步块时，消除同步开销。 工作原理 ： 加锁过程 ：当线程首次访问同步块时，通过CAS操作将对象头中的偏向锁标志置为"1"，并记录线程ID。之后该线程再次进入时，无需CAS操作，直接检查线程ID是否匹配。 撤销条件 ：当其他线程尝试竞争锁时，持有偏向锁的线程需要撤销偏向锁。若原线程仍存活，则升级为轻量级锁；若已不活动，则直接转为无锁状态或重新偏向。 适用场景 ：单线程重复访问同步代码块。 4. 轻量级锁（Lightweight Locking） 设计目标 ：当多个线程交替执行同步块（无实际竞争），避免直接使用重量级锁。 工作原理 ： 加锁过程 ： 在代码进入同步块时，若对象处于无锁状态，JVM在当前线程的栈帧中创建锁记录（Lock Record），并复制对象头的Mark Word到锁记录中。 然后通过CAS操作将对象头的Mark Word替换为指向锁记录的指针。若成功，则获取轻量级锁；若失败，表示存在竞争，进入自旋优化。 解锁过程 ：使用CAS将锁记录中的Mark Word替换回对象头。若成功，则无竞争；若失败，表示锁已升级，需要释放锁并唤醒等待线程。 自旋优化 ：竞争线程不会立即阻塞，而是通过循环（自旋）尝试获取锁，避免线程切换开销。自旋次数由JVM自适应调整（如基于前一次自旋成功次数）。 升级条件 ：自旋超过阈值或有多线程竞争时，升级为重量级锁。 5. 重量级锁（Heavyweight Locking） 设计目标 ：处理高竞争场景，通过操作系统互斥量（Mutex）实现线程阻塞和唤醒。 工作原理 ： 锁对象指向操作系统级的互斥量，未获取锁的线程会被加入等待队列，进入阻塞状态（线程切换开销大）。 依赖内核的同步机制，如Linux下的futex。 适用场景 ：多线程激烈竞争锁资源。 6. 锁升级的全过程 初始状态 ：对象为无锁状态（偏向锁禁用或未启用）。 偏向锁启用 ：当线程A首次访问同步块，启用偏向锁并记录线程ID。 偏向锁撤销 ：线程B尝试竞争时，若线程A仍活动，暂停线程A，检查其是否持有锁。若持有，升级为轻量级锁；否则，撤销偏向锁后重新竞争。 轻量级锁竞争 ：线程B通过自旋尝试获取锁。若自旋成功，线程B获得锁；若自旋失败（如超时或线程C加入竞争），升级为重量级锁。 重量级锁阻塞 ：线程B和C进入阻塞队列，由操作系统调度。 7. 锁的优缺点对比 偏向锁 ：优点是无竞争时开销极小；缺点是撤销需要STW（Stop-The-World），可能增加延迟。 轻量级锁 ：优点是线程交替执行时无需阻塞；缺点是自旋会消耗CPU资源。 重量级锁 ：优点是保证公平性和稳定性；缺点是线程切换开销大。 8. 实践建议 高并发场景（如秒杀系统）可禁用偏向锁（-XX:-UseBiasedLocking），避免撤销开销。 轻量级锁的自旋次数可通过-XX:PreBlockSpin调整，但JDK 1.6后已优化为自适应自旋。 通过锁升级机制，JVM在保证线程安全的同时，显著提升了synchronized的性能，使其成为Java高并发编程的核心工具之一。