Java 锁升级机制详解

1. 概述

Java 的锁升级机制是 JVM 在 JDK 1.6 后引入的重要优化策略，目的是在多线程环境下平衡 线程安全 与 性能开销。通过动态调整锁的复杂度，JVM 根据竞争强度逐步升级锁的状态，避免在低竞争场景下使用高成本的重量级锁。

2. 锁类型及特点

3. 锁升级的过程

锁升级路径为：无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁，且 不可逆（只能升级，不能降级）。

3.1 无锁 → 偏向锁

• 触发条件：第一个线程访问同步代码块时。

• 过程：JVM 通过 CAS 操作将对象头的 Mark Word 标记为偏向锁。记录当前线程 ID 和偏向时间戳。后续同一线程再次访问时，直接通过比对线程 ID 获取锁（无需 CAS 操作）。

3.2 偏向锁 → 轻量级锁

• 触发条件：第二个线程尝试获取同一锁（出现竞争）。

• 过程：偏向锁失效，JVM 撤销偏向锁（可能触发 STW，Stop-The-World）。线程通过自旋（Spin）和 CAS 操作尝试获取锁。若自旋成功，则升级为轻量级锁；否则继续自旋或升级为重量级锁。

3.3 轻量级锁 → 重量级锁

• 触发条件：自旋次数超过阈值（默认 10 次，可通过 -XX:PreBlockSpin 调整）。多个线程同时竞争锁（如第三个线程加入竞争）。

• 过程：JVM 将锁升级为重量级锁，对象头指向监视器（Monitor）。线程进入操作系统内核态的阻塞队列，等待调度器唤醒。未获取锁的线程通过 ObjectMonitor 等待唤醒。

4. 锁升级的优缺点

4.1 优点

1. 减少无竞争场景的开销：偏向锁和轻量级锁避免了频繁的 CAS 和上下文切换。

2. 动态适配竞争强度：在低竞争时保持高性能，在高竞争时保证线程安全。

4.2 缺点

1. 偏向锁撤销开销：当其他线程竞争时，撤销偏向锁会导致 STW，影响性能。

2. 重量级锁的高开销：在高竞争场景下，频繁的线程阻塞/唤醒会显著降低性能。

5. 锁升级的优化策略

5.1 减少锁持有时间

• 优化方向：缩短同步代码块的执行时间，降低锁的竞争概率。

• 示例：

// 不推荐：锁持有时间过长synchronized (lock) {    // 复杂计算或 IO 操作}
// 推荐：仅在关键代码块加锁int result = doSomeComputation(); // 非同步操作synchronized (lock) {    sharedVariable = result;}

5.2 使用分段锁（Segment Locking）

• 优化方向：将一个大锁拆分为多个小锁，减少锁的竞争范围。

• 示例：ConcurrentHashMap 使用分段锁（JDK 8 后改为 CAS + synchronized）。

5.3 禁用偏向锁

• 适用场景：频繁切换线程的场景（如高并发服务）。

• JVM 参数：
  

-XX:-UseBiasedLocking  # 禁用偏向锁

5.4 调整自旋次数

• 适用场景：轻量级锁的自旋可能因 CPU 空闲而浪费资源。

• JVM 参数：

-XX:PreBlockSpin=5  # 设置自旋次数为 5

6. 代码示例

public class LockUpgradeExample {    private final Object lock = new Object();
    public void performTask() {        synchronized (lock) {            // 同步代码块        }    }
    public static void main(String[] args) {        LockUpgradeExample example = new LockUpgradeExample();        Thread t1 = new Thread(example::performTask);        Thread t2 = new Thread(example::performTask);
        t1.start(); // 初始为偏向锁（t1）        t2.start(); // 触发偏向锁撤销，升级为轻量级锁    }}

7. 关键 JVM 参数

8. 总结

• 锁升级是 JVM 自动管理的机制，开发者无需手动干预，但理解其原理有助于优化并发性能。

• 偏向锁适合单线程场景，轻量级锁适合低竞争场景，重量级锁适合高竞争场景。

• 锁升级不可逆，一旦升级到重量级锁，后续操作将始终使用重量级锁。

通过合理设计代码（如减少锁粒度、避免过早膨胀到重量级锁），可以最大化 Java 的并发性能。

文章转载自：java金融

原文链接：https://www.cnblogs.com/root429/p/18927414

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