Java中的synchronized锁的四种状态与锁升级过程详解
字数 1761 2025-12-15 17:28:14

Java中的synchronized锁的四种状态与锁升级过程详解

题目描述：
在Java中，synchronized是最常用的同步机制，但其内部实现经历了从JDK 1.6开始的重大优化，引入了偏向锁、轻量级锁、重量级锁等状态，并实现了锁升级（膨胀）过程。本知识点要求深入理解synchronized锁的四种状态（无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁）的特征、适用场景，以及锁如何根据竞争情况在这些状态间逐步升级（膨胀）的详细过程。

解题过程循序渐进讲解：

第一步：理解为什么需要锁状态优化
早期Java中，synchronized直接对应操作系统层面的互斥锁（重量级锁），涉及用户态到内核态的切换，性能开销大。为了提升性能，JDK 1.6引入了锁状态分级机制，根据实际竞争情况动态调整锁的级别，减少不必要的开销。

第二步：认识锁的四种状态

  1. 无锁（No Lock）

    • 对象未被任何线程锁定，适用于无竞争场景。
    • 对象的对象头（Object Header）中的标记字段（Mark Word）记录对象的哈希码、分代年龄等信息。

  2. 偏向锁（Biased Lock）

    • 假设锁总是由同一线程获得，消除同步开销。
    • 对象头存储偏向线程ID和偏向时间戳。
    • 适用场景：单线程重复获取锁，无实际竞争。

  3. 轻量级锁（Lightweight Lock）

    • 当多个线程交替执行同步块（无并发竞争）时，通过CAS操作竞争锁，避免阻塞。
    • 对象头指向线程栈中的锁记录（Lock Record），实现自旋等待。
    • 适用场景：线程交替执行，竞争轻微。

  4. 重量级锁（Heavyweight Lock）

    • 传统互斥锁，通过操作系统互斥量（Mutex）实现，线程阻塞和唤醒涉及内核切换。
    • 对象头指向监视器（Monitor）对象。
    • 适用场景：高并发竞争，线程长时间等待。

第三步：深入锁升级（膨胀）过程
锁升级是单向过程：无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁。以下逐步说明：

  1. 初始状态（无锁）

    • 新创建的对象处于无锁状态。
    • 对象头（Mark Word）包含哈希码、分代年龄等。

  2. 偏向锁获取

    • 当线程A首次进入synchronized块时，检查对象是否可偏向：
      • 检查对象头标记位（锁标志位和偏向锁标志位）。
      • 如果可偏向（偏向锁标志=1且线程ID为空），则通过CAS将对象头中的线程ID设置为线程A的ID，并进入偏向模式。
    • 如果对象已偏向线程A，则直接通过偏向锁检查，无需同步操作。

  3. 偏向锁撤销

    • 当线程B尝试获取锁时，发现对象已偏向线程A：
      • 检查线程A是否存活或仍在同步块中。
      • 如果线程A已不活动，则撤销偏向锁，恢复到无锁状态，并允许线程B重新偏向。
      • 如果线程A仍在同步块中，则升级为轻量级锁。

  4. 轻量级锁获取

    • 线程B通过CAS操作尝试将对象头中的指针替换为指向自己栈中锁记录的指针：
      • 如果成功，则获取轻量级锁。
      • 如果失败（锁已被占用），则自旋等待（有限次自旋，避免CPU浪费）。
    • 自旋期间如果获得锁，则继续执行；如果自旋失败，则升级为重量级锁。

  5. 重量级锁膨胀

    • 当多个线程竞争轻量级锁且自旋失败时，锁膨胀为重量级锁。
    • 对象头指向监视器（Monitor）对象，线程进入阻塞队列，由操作系统调度。
    • 此后，任何线程尝试获取锁时，都会进入阻塞状态，直到持有锁的线程释放锁后唤醒。

第四步：锁降级的特殊情况

  • 正常情况下，锁升级是单向的，不会降级。
  • 但在G1垃圾回收器的“并发标记”阶段，为了减少STW（Stop-The-World）时间，可能会对重量级锁进行降级，这是JVM内部的特殊处理，普通开发中无需关心。

第五步：实战中的调优建议

  • 如果确认无竞争，可通过JVM参数-XX:-UseBiasedLocking关闭偏向锁，避免撤销开销。
  • 高并发场景下，偏向锁可能因频繁撤销而降低性能，可考虑直接使用轻量级锁或显式锁（如ReentrantLock）。
  • 通过JVM参数-XX:PreBlockSpin调整自旋次数（默认10次），适配不同场景。

总结：
synchronized锁的四种状态与升级过程是JVM针对同步性能优化的核心机制。理解这一过程有助于编写高效并发代码，并在性能调优时做出合理决策。关键在于根据实际竞争情况，选择合适的锁级别，避免不必要的开销。

Java中的synchronized锁的四种状态与锁升级过程详解 题目描述 ： 在Java中， synchronized 是最常用的同步机制，但其内部实现经历了从JDK 1.6开始的重大优化，引入了偏向锁、轻量级锁、重量级锁等状态，并实现了锁升级（膨胀）过程。本知识点要求深入理解 synchronized 锁的四种状态（无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁）的特征、适用场景，以及锁如何根据竞争情况在这些状态间逐步升级（膨胀）的详细过程。 解题过程循序渐进讲解 ： 第一步：理解为什么需要锁状态优化 早期Java中， synchronized 直接对应操作系统层面的互斥锁（重量级锁），涉及用户态到内核态的切换，性能开销大。为了提升性能，JDK 1.6引入了锁状态分级机制，根据实际竞争情况动态调整锁的级别，减少不必要的开销。 第二步：认识锁的四种状态 无锁（No Lock） 对象未被任何线程锁定，适用于无竞争场景。 对象的对象头（Object Header）中的标记字段（Mark Word）记录对象的哈希码、分代年龄等信息。 偏向锁（Biased Lock） 假设锁总是由同一线程获得，消除同步开销。 对象头存储偏向线程ID和偏向时间戳。 适用场景：单线程重复获取锁，无实际竞争。 轻量级锁（Lightweight Lock） 当多个线程交替执行同步块（无并发竞争）时，通过CAS操作竞争锁，避免阻塞。 对象头指向线程栈中的锁记录（Lock Record），实现自旋等待。 适用场景：线程交替执行，竞争轻微。 重量级锁（Heavyweight Lock） 传统互斥锁，通过操作系统互斥量（Mutex）实现，线程阻塞和唤醒涉及内核切换。 对象头指向监视器（Monitor）对象。 适用场景：高并发竞争，线程长时间等待。 第三步：深入锁升级（膨胀）过程 锁升级是单向过程：无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁。以下逐步说明： 初始状态（无锁） 新创建的对象处于无锁状态。 对象头（Mark Word）包含哈希码、分代年龄等。 偏向锁获取 当线程A首次进入 synchronized 块时，检查对象是否可偏向： 检查对象头标记位（锁标志位和偏向锁标志位）。 如果可偏向（偏向锁标志=1且线程ID为空），则通过CAS将对象头中的线程ID设置为线程A的ID，并进入偏向模式。 如果对象已偏向线程A，则直接通过偏向锁检查，无需同步操作。 偏向锁撤销 当线程B尝试获取锁时，发现对象已偏向线程A： 检查线程A是否存活或仍在同步块中。 如果线程A已不活动，则撤销偏向锁，恢复到无锁状态，并允许线程B重新偏向。 如果线程A仍在同步块中，则升级为轻量级锁。 轻量级锁获取 线程B通过CAS操作尝试将对象头中的指针替换为指向自己栈中锁记录的指针： 如果成功，则获取轻量级锁。 如果失败（锁已被占用），则自旋等待（有限次自旋，避免CPU浪费）。 自旋期间如果获得锁，则继续执行；如果自旋失败，则升级为重量级锁。 重量级锁膨胀 当多个线程竞争轻量级锁且自旋失败时，锁膨胀为重量级锁。 对象头指向监视器（Monitor）对象，线程进入阻塞队列，由操作系统调度。 此后，任何线程尝试获取锁时，都会进入阻塞状态，直到持有锁的线程释放锁后唤醒。 第四步：锁降级的特殊情况 正常情况下，锁升级是单向的，不会降级。 但在G1垃圾回收器的“并发标记”阶段，为了减少STW（Stop-The-World）时间，可能会对重量级锁进行降级，这是JVM内部的特殊处理，普通开发中无需关心。 第五步：实战中的调优建议 如果确认无竞争，可通过JVM参数 -XX:-UseBiasedLocking 关闭偏向锁，避免撤销开销。 高并发场景下，偏向锁可能因频繁撤销而降低性能，可考虑直接使用轻量级锁或显式锁（如 ReentrantLock ）。 通过JVM参数 -XX:PreBlockSpin 调整自旋次数（默认10次），适配不同场景。 总结 ： synchronized 锁的四种状态与升级过程是JVM针对同步性能优化的核心机制。理解这一过程有助于编写高效并发代码，并在性能调优时做出合理决策。关键在于根据实际竞争情况，选择合适的锁级别，避免不必要的开销。