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深入解析 synchronized 锁升级：从偏向锁到重量级锁的设计哲学

article 2025/2/26 13:03:12

引言

在 Java 并发编程中，synchronized 是保证线程安全的核心关键字。但早期的 synchronized 因直接使用操作系统级互斥锁（Mutex Lock）而饱受性能诟病。自 Java 6 起，JVM 团队引入了 锁升级（Lock Escalation） 机制，通过 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁 的渐进式优化，实现了性能与安全的完美平衡。本文将深入剖析每个锁状态的设计思想，揭示其背后的哲学。

一、对象头与锁的物理载体

在理解锁升级前，需先了解对象内存布局中的 对象头（Object Header），它是锁状态的物理载体：

Mark Word（标记字段）：存储哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志等。
Klass Pointer（类型指针）：指向类的元数据。

锁标志位（2 bits）控制锁状态：01 无锁/偏向锁，00 轻量级锁，10 重量级锁。

二、锁升级的四个阶段

1. 无锁（Lock-Free）

设计思想：

零竞争场景优化：当对象未被任何线程锁定时，无需任何同步机制。
锁消除（Lock Elision）：JIT 编译器通过逃逸分析，消除不可能存在竞争的锁。

触发条件：

对象刚被创建且未被任何线程访问。
锁消除优化后的代码路径。

2. 偏向锁（Biased Locking）

设计思想：

单线程重复访问优化：假设锁始终由同一线程获得，通过记录线程 ID 避免 CAS 操作。
空间换时间：在对象头中存储偏向线程 ID，消除无竞争时的同步开销。

升级流程：

首次加锁：通过 CAS 将线程 ID 写入 Mark Word，锁标志位设为偏向模式（101）。
重入检查：检查 Mark Word 中的线程 ID 是否与当前线程一致，若一致则直接执行。
竞争触发升级：当其他线程尝试获取锁时，撤销偏向锁（Revoke Bias），升级为轻量级锁。

关键代码逻辑：

// 偏向锁获取伪代码  
if (markWord.threadId == currentThread.id) {  
    // 直接进入同步块  
} else {  
    // 尝试 CAS 替换线程 ID  
    if (CAS(markWord, expectedThreadId, currentThread.id)) {  
        // 成功获取偏向锁  
    } else {  
        // 升级为轻量级锁  
    }  
}

3. 轻量级锁（Lightweight Locking）

设计思想：

短时竞争优化：通过线程栈中的 锁记录（Lock Record） 和 CAS 自旋，避免线程阻塞。
用户态解决方案：不依赖操作系统互斥锁，减少内核态切换开销。

升级流程：

加锁：将对象头的 Mark Word 复制到线程栈的锁记录中（Displaced Mark Word）。
CAS 竞争：尝试通过 CAS 将对象头的 Mark Word 替换为指向锁记录的指针。
自旋失败升级：若自旋超过阈值（默认 10 次，JVM 自适应调节），升级为重量级锁。

关键代码逻辑：

// 轻量级锁获取伪代码  
LockRecord lr = stack.allocateLockRecord();  
lr.displacedMarkWord = markWord;  
if (CAS(object.markWord, markWord, lr.address)) {  
    // 获取轻量级锁成功  
} else {  
    // 自旋重试或升级为重量级锁  
}

设计权衡：

自适应自旋（Adaptive Spinning）：JVM 根据历史竞争情况动态调整自旋次数。

4. 重量级锁（Heavyweight Locking）

设计思想：

长时竞争优化：通过操作系统级 互斥锁（Mutex Lock） 管理线程阻塞与唤醒。
终极安全屏障：确保高竞争场景下的线程安全，但伴随上下文切换开销。

升级流程：

对象监视器（Monitor）：JVM 为对象分配一个 Monitor（通过 ObjectMonitor 实现）。
阻塞队列：竞争失败的线程进入 EntryList 等待唤醒。
唤醒机制：锁释放时，通过 notify/notifyAll 唤醒等待线程。

Monitor 结构：

// HotSpot 源码中的 ObjectMonitor  
class ObjectMonitor {  
    volatile markOop _header;      // 原始 Mark Word  
    void*   volatile _owner;       // 持有锁的线程  
    ObjectWaiter* volatile _EntryList; // 阻塞线程队列  
    ObjectWaiter* volatile _WaitSet;   // 调用 wait() 的线程队列  
    volatile int _recursions;      // 重入次数  
    // ...  
};