Java中的锁升级机制：偏向锁、轻量级锁和重量级锁

Monitor实现的锁属于重量级锁，你了解过锁升级吗？

随着JDK版本的升级，Java的synchronized关键字在性能上进行了优化，打破了“性能很差”的谣言。锁机制根据竞争情况分为无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁四种状态。

重量级锁

重量级锁由Monitor实现，涉及用户态与内核态的切换以及上下文转换。这种机制在多线程竞争下性能较低，开销较大。JDK 1.6引入了偏向锁和轻量级锁，以优化无竞争或低竞争场景下的性能表现。

MarkWord

Java对象在内存中的布局包含对象头，其中的MarkWord用于存储锁状态。根据MarkWord的后三位或后两位标识，可以区分对象当前的锁状态：

• 001：无锁
• 101：偏向锁
• 00：轻量级锁
• 10：重量级锁

轻量级锁

轻量级锁适用于无竞争的同步块场景，通过CAS操作实现加锁和解锁，避免了重量级锁的上下文切换开销。在竞争激烈时，轻量级锁会升级为重量级锁。

加锁流程

1. 在线程栈中创建Lock Record，并指向锁对象。
2. 通过CAS修改MarkWord，标记为轻量级锁。
3. 支持锁重入，利用Lock Record记录重入次数。
4. CAS失败则升级为重量级锁。

解锁流程

1. 遍历线程栈，找到对应Lock Record。
2. 处理Lock Record的重入情况。
3. 通过CAS恢复无锁状态，CAS失败则升级为重量级锁。

偏向锁

偏向锁适用于长时间只被一个线程持有的场景。第一次使用CAS操作设置线程ID，之后无需CAS，只需判断MarkWord中的线程ID是否一致，从而进一步提升性能。

偏向锁升级

1. 在线程栈创建Lock Record并指向锁对象。
2. 通过CAS设置线程ID及偏向锁标识。
3. 支持重入，但不再进行CAS操作，仅判断线程ID。
4. 多线程竞争时，偏向锁会升级为轻量级或重量级锁。

总结

Java的synchronized关键字通过锁升级机制优化了多线程竞争场景，提升了性能。

• 重量级锁：适用于多线程竞争，性能较低。
• 轻量级锁：无竞争时使用CAS优化性能。
• 偏向锁：长时间单线程持有锁时进一步优化。

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