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2024年4月27日发(作者：女生英文名shelley)
synchronized 锁升级原理
一、背景与介绍
在并发编程中，为了保证多个线程之间的数据安全和一致性，我们常常使用锁来对
临界区进行保护。Java中的
synchronized
关键字是一种最基本的锁机制，它能够
保证同一时刻只有一个线程可以执行被同步关键字保护的代码块。
然而，对于
synchronized
的实现，实际上是通过 JVM 对象头中的一些标志位来实
现的。在 JDK 1.6 之前，
synchronized
的实现方式比较简单粗暴，存在性能问题。
在 JDK 1.6 中，HotSpot VM（Java虚拟机的一种实现）对
synchronized
关键字
进行了优化，引入了锁升级的概念。
本文将详细探讨 synchronized 锁升级的原理及相关细节，以帮助读者更好地理解
synchronized
的工作机制。
二、基本的 synchronized 使用方式
在开始讨论锁升级原理之前，我们先回顾一下
synchronized
的基本使用方式。在
Java 中，我们可以使用
synchronized
关键字来修饰方法或代码块，以实现对临界
区的互斥访问。
1. 修饰方法
public synchronized void method() {
// 这里是被 synchronized 保护的临界区
// ...
}
在上述代码中，通过将
synchronized
关键字修饰在方法上，相当于对整个方法体
进行了加锁。这意味着在同一时刻，只有一个线程可以进入该方法。
2. 修饰代码块
public void method() {
// 这里是非临界区代码
// ...
synchronized (this) {
// 这里是被 synchronized 保护的临界区
// ...
}
// 这里是非临界区代码
// ...
}
在上述代码中，通过使用
synchronized (this)
语法，我们可以对某个对象的指定
代码块进行加锁。这样，只有当前对象拥有锁的线程可以执行该代码块。
三、synchronized 锁的升级过程
在 JDK 1.6 之前，
synchronized
的实现方式是基于互斥量（Mutex）和信号量
（Semaphore）。当线程进入临界区时，会尝试获取互斥量，如果互斥量已经被其
他线程获取，则该线程会进入阻塞状态。
这种实现方式的问题在于，对于一些频繁执行的轻量级操作，线程需要频繁地获取
和释放锁，这会导致较大的性能开销。
为了解决这个问题，HotSpot VM 引入了锁升级的概念。锁升级是指根据锁对象的
竞争情况，逐渐提升锁的级别，以减少获取和释放锁的次数，从而提高多线程并发
执行的效率。
1. 无锁状态（Unlocked）
当锁对象没有被线程获取时，处于无锁状态。此时线程可以无阻塞地直接进入临界
区。
2. 偏向锁状态（Biased）
当某个线程第一次获取锁对象时，锁对象会进入偏向锁状态。此时，JVM 会将该线
程的线程ID记录在锁对象的对象头中，并将锁对象的标志位设置为偏向锁。
在偏向锁状态下，线程再次获取同一锁对象时可以直接进入临界区，无需再次获取
互斥量，减少了线程竞争的开销。若有其他线程尝试获取该锁对象，偏向锁会自动
升级为重量级锁。
3. 轻量级锁状态（Lightweight）
在多个线程并发执行时，会发生锁的竞争。当第一个线程获取锁对象时，锁会从偏
向锁状态升级为轻量级锁状态。此时，JVM 会通过一种乐观锁的方式尝试获取互斥
量，如果成功获取，则可以顺利进入临界区执行，如果失败，则进入重量级锁状态。
轻量级锁状态下，线程通过CAS（Compare and Swap）操作更新锁对象的对象头中
的标志位，如果成功则获得锁对象，如果失败则进入重量级锁状态。
4. 重量级锁状态（Heavyweight）
在多个线程竞争获取锁对象时，锁会进入重量级锁状态。此时，JVM 会使用操作系
统提供的互斥量来保护临界区。在重量级锁状态下，线程获取锁对象时会进入阻塞
状态，等待互斥量的释放。
重量级锁的实现是基于操作系统的原子操作，性能相比于偏向锁和轻量级锁而言会
有所下降。因此，JVM 在选择锁的级别时会根据锁对象的竞争情况进行动态升级或
降级。
四、锁升级的条件与过程
锁升级的条件和过程如下：
1. 锁升级的条件
•
•
•
锁对象不存在竞争：如果锁对象从没有被竞争过，则升级为偏向锁。
多个线程竞争锁对象：如果锁对象存在竞争，则升级为轻量级锁。
竞争仍然激烈：如果线程竞争激烈，轻量级锁升级失败，则升级为重量级锁。
2. 锁升级的过程
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•
•
偏向锁升级为轻量级锁：当有其他线程尝试获取偏向锁对象时，偏向锁会自
动升级为轻量级锁。
轻量级锁升级为重量级锁：当轻量级锁升级失败时，轻量级锁会自动升级为
重量级锁，进入阻塞状态等待互斥量的释放。
重量级锁降级为轻量级锁：当竞争锁对象的线程退出临界区时，锁会降级为
轻量级锁，以提供更好的并发性能。
五、synchronized 锁升级的优缺点
1. 优点
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•
对于没有竞争的锁对象，可以快速进入临界区，避免了无谓的自旋等待。
对于少量线程竞争的锁对象，轻量级锁可以通过无锁的方式获取互斥量，减
少了线程竞争的开销。
对于大量线程竞争的锁对象，重量级锁可以保证线程不会空转，避免了浪费
CPU 和内存资源。
2. 缺点
•
•
锁的状态升级需要修改对象头的标志位和其他属性，可能会引发额外的开销。
锁升级的过程需要判断与处理，可能会产生一定的性能损耗。
六、总结
在本文中，我们深入探讨了synchronized锁升级的原理。通过锁的升级，可以根
据锁对象的竞争情况来选择合适的锁级别，从而提高多线程并发执行的效率。
synchronized的锁升级过程主要包括无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重
量级锁状态等。锁的升级优点在于兼顾了无竞争、少竞争和多竞争的场景，但也存
在一定的开销。对于并发编程，了解锁升级的原理对于提高性能和保证数据一致性
是非常重要的。
更多关于Java并发编程的内容，大家可以继续学习和研究，以便能够更好地应对
复杂的多线程并发场景。
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