Java锁升级机制超详细讲解(附实例代码)_Java

引言

最近有个三年左右的兄弟面试java 被问到这样一道经典的八股文面试题：你讲讲java里面的锁升级？他感觉回答的不是很好，然后回去找资料学习了一波，然后下面是他输出的文章，希望对找工作的其他朋友也有些帮助。

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

锁类型	适用场景	性能开销	核心机制
无锁（unlocked）	无线程竞争	极低	直接通过 cas 操作尝试获取锁。
偏向锁（biased locking）	单线程重复访问（无竞争）	极低	对象头记录偏向线程 id，后续同一线程无需竞争，直接获取锁。
轻量级锁（lightweight lock）	低竞争（多个线程交替访问）	中等	通过 cas 自旋尝试获取锁，避免操作系统级别的阻塞。
重量级锁（heavyweight lock）	高竞争（长时间阻塞或高并发）	高	依赖操作系统互斥量（mutex），线程被挂起并排队等待。

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

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。
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

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。
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

参数	作用
`-xx:+usebiasedlocking`	开启/关闭偏向锁（默认开启，java 15+ 默认关闭）。
`-xx:biasedlockingstartupdelay=0`	立即启用偏向锁（避免延迟）。
`-xx:preblockspin`	设置轻量级锁自旋次数（默认 10）。
`-xx:-usespinning`	关闭自旋锁（强制进入重量级锁）。