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Java鎖升級機(jī)制超詳細(xì)講解(附實例代碼)

更新時間：2025年06月14日 14:05:16 作者：java金融

Java中的synchronized鎖會經(jīng)歷一個從無鎖到偏向鎖,再到輕量級鎖,最后到重量級鎖的升級過程,這種優(yōu)化稱為鎖升級或鎖膨脹,這篇文章主要介紹了Java鎖升級機(jī)制超詳細(xì)講解的相關(guān)資料,需要的朋友可以參考下

引言

最近有個三年左右的兄弟面試java 被問到這樣一道經(jīng)典的八股文面試題：你講講java里面的鎖升級？他感覺回答的不是很好，然后回去找資料學(xué)習(xí)了一波，然后下面是他輸出的文章，希望對找工作的其他朋友也有些幫助。

1. 概述

Java 的鎖升級機(jī)制是 JVM 在 JDK 1.6 后引入的重要優(yōu)化策略，目的是在多線程環(huán)境下平衡 線程安全 與 性能開銷。通過動態(tài)調(diào)整鎖的復(fù)雜度，JVM 根據(jù)競爭強(qiáng)度逐步升級鎖的狀態(tài)，避免在低競爭場景下使用高成本的重量級鎖。

2. 鎖類型及特點

鎖類型	適用場景	性能開銷	核心機(jī)制
無鎖（Unlocked）	無線程競爭	極低	直接通過 CAS 操作嘗試獲取鎖。
偏向鎖（Biased Locking）	單線程重復(fù)訪問（無競爭）	極低	對象頭記錄偏向線程 ID，后續(xù)同一線程無需競爭，直接獲取鎖。
輕量級鎖（Lightweight Lock）	低競爭（多個線程交替訪問）	中等	通過 CAS 自旋嘗試獲取鎖，避免操作系統(tǒng)級別的阻塞。
重量級鎖（Heavyweight Lock）	高競爭（長時間阻塞或高并發(fā)）	高	依賴操作系統(tǒng)互斥量（Mutex），線程被掛起并排隊等待。

3. 鎖升級的過程

鎖升級路徑為：無鎖 → 偏向鎖 → 輕量級鎖 → 重量級鎖，且 不可逆（只能升級，不能降級）。

3.1 無鎖 → 偏向鎖

觸發(fā)條件：第一個線程訪問同步代碼塊時。
過程：
JVM 通過 CAS 操作將對象頭的 Mark Word 標(biāo)記為偏向鎖。

記錄當(dāng)前線程 ID 和偏向時間戳。

后續(xù)同一線程再次訪問時，直接通過比對線程 ID 獲取鎖（無需 CAS 操作）。

3.2 偏向鎖 → 輕量級鎖

觸發(fā)條件：第二個線程嘗試獲取同一鎖（出現(xiàn)競爭）。
過程：
偏向鎖失效，JVM 撤銷偏向鎖（可能觸發(fā) STW，Stop-The-World）。

線程通過自旋（Spin）和 CAS 操作嘗試獲取鎖。

若自旋成功，則升級為輕量級鎖；否則繼續(xù)自旋或升級為重量級鎖。

3.3 輕量級鎖 → 重量級鎖

觸發(fā)條件：
- 自旋次數(shù)超過閾值（默認(rèn) 10 次，可通過 -XX:PreBlockSpin 調(diào)整）。
- 多個線程同時競爭鎖（如第三個線程加入競爭）。
過程：
JVM 將鎖升級為重量級鎖，對象頭指向監(jiān)視器（Monitor）。

線程進(jìn)入操作系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)的阻塞隊列，等待調(diào)度器喚醒。

未獲取鎖的線程通過 ObjectMonitor 等待喚醒。

4. 鎖升級的優(yōu)缺點

4.1 優(yōu)點

減少無競爭場景的開銷：偏向鎖和輕量級鎖避免了頻繁的 CAS 和上下文切換。
動態(tài)適配競爭強(qiáng)度：在低競爭時保持高性能，在高競爭時保證線程安全。

4.2 缺點

偏向鎖撤銷開銷：當(dāng)其他線程競爭時，撤銷偏向鎖會導(dǎo)致 STW，影響性能。
重量級鎖的高開銷：在高競爭場景下，頻繁的線程阻塞/喚醒會顯著降低性能。

5. 鎖升級的優(yōu)化策略

5.1 減少鎖持有時間

優(yōu)化方向：縮短同步代碼塊的執(zhí)行時間，降低鎖的競爭概率。

示例：

// 不推薦：鎖持有時間過長
synchronized (lock) {
    // 復(fù)雜計算或 IO 操作
}

// 推薦：僅在關(guān)鍵代碼塊加鎖
int result = doSomeComputation(); // 非同步操作
synchronized (lock) {
    sharedVariable = result;
}

5.2 使用分段鎖（Segment Locking）

優(yōu)化方向：將一個大鎖拆分為多個小鎖，減少鎖的競爭范圍。
示例：ConcurrentHashMap 使用分段鎖（JDK 8 后改為 CAS + synchronized）。

5.3 禁用偏向鎖

適用場景：頻繁切換線程的場景（如高并發(fā)服務(wù)）。

JVM 參數(shù)：

-XX:-UseBiasedLocking  # 禁用偏向鎖

5.4 調(diào)整自旋次數(shù)

適用場景：輕量級鎖的自旋可能因 CPU 空閑而浪費資源。

JVM 參數(shù)：

-XX:PreBlockSpin=5  # 設(shè)置自旋次數(shù)為 5

6. 代碼示例

public class LockUpgradeExample {
    private final Object lock = new Object();

    public void performTask() {
        synchronized (lock) {
            // 同步代碼塊
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        LockUpgradeExample example = new LockUpgradeExample();
        Thread t1 = new Thread(example::performTask);
        Thread t2 = new Thread(example::performTask);

        t1.start(); // 初始為偏向鎖（t1）
        t2.start(); // 觸發(fā)偏向鎖撤銷，升級為輕量級鎖
    }
}

7. 關(guān)鍵 JVM 參數(shù)

參數(shù)	作用
`-XX:+UseBiasedLocking`	開啟/關(guān)閉偏向鎖（默認(rèn)開啟，Java 15+ 默認(rèn)關(guān)閉）。
`-XX:BiasedLockingStartupDelay=0`	立即啟用偏向鎖（避免延遲）。
`-XX:PreBlockSpin`	設(shè)置輕量級鎖自旋次數(shù)（默認(rèn) 10）。
`-XX:-UseSpinning`	關(guān)閉自旋鎖（強(qiáng)制進(jìn)入重量級鎖）。