synchronized` 的“锁升级/路径

synchronized` 的“锁升级/路径

它是 HotSpot 为了在不同竞争程度下取得最好性能而设计的多形态锁。常见演进（JDK8 语境）是：

无锁 → 偏向锁（Biased） → 轻量级锁（Thin/Lightweight）→ 重量级锁（Inflated/Monitor）
注：从 JDK 15 起偏向锁默认关闭，更高版本已移除；此时路径约等于 无锁 → 轻量级 → 重量级。

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1. 基础：对象头里的 Mark Word

每个对象有个 Mark Word，里面会存放：hash、GC 信息、锁标志位（2–3 bit）、线程ID/指针等。锁的不同形态，就是 Mark Word + 旁路结构的不同编码：

• 无锁：普通标志

• 偏向锁：Mark Word 里直接记录“持有锁的线程ID”

• 轻量级锁：把 Mark Word 复制到锁记录（Lock Record），再用 CAS 把对象头指向锁记录，形成“栈上锁”

• 重量级锁：膨胀为 ObjectMonitor（OS 互斥），有 EntryList/WaitSet 等队列，阻塞/唤醒由内核参与

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2. 升级触发与 fast/slow path

2.1 偏向锁（Biased Locking）—“单线程反复进入”的极致快路径

• 触发：对象第一次被某线程进入同步块，JVM把对象“偏向”这个线程（在 Mark Word 记下线程ID），之后同线程重入几乎零开销（只做计数）。

• 撤销/重偏向：若另一线程也来竞争：

  • JVM 先在 安全点尝试撤销偏向（Revoke），若该对象将来仍多由单线程使用，可批量重偏向到新线程；

  • 若确认存在真实并发，升级到轻量级锁。

• 优点：单线程/无竞争下开销极小。

• 现状：JDK 15 起默认禁用，更高版本移除；只需知道历史上有这条快路径。

2.2 轻量级锁（Thin/Lightweight Lock）—“短暂低竞争”的乐观自旋

• 触发：进入 synchronized，在当前线程栈创建 Lock Record，用 CAS 尝试把对象头指向这个记录：

  • 成功 → 获得轻量级锁（无阻塞，用户态完成）；

  • 失败 → 说明有人持有，进入 自旋（spin） 尝试等待对方很快释放（HotSpot 有自适应自旋：历史上该锁是否能很快拿到，决定自旋时长）。

• 升级：自旋多次仍拿不到（说明真实竞争且时间较长），则“膨胀”成重量级锁。

2.3 重量级锁（Inflated/Monitor）—“确有竞争/长等待”用内核互斥

• 触发：轻量级路径失败（或直接检测到需要阻塞）时，JVM 为对象关联一个 ObjectMonitor：

  • 失败的线程进入 EntryList，阻塞挂起；

  • 持有者释放时唤醒等待者（可能伴随锁竞争/调度）。

• 优点：可处理长时间和多线程的真实竞争。

• 代价：内核态阻塞/唤醒，开销大。

注意：升级是单向的（同一次持有期内不会“降级”回轻量/偏向）；但当锁完全释放且再次进入时，会重新按路径选择。重量级锁在无竞争一段时间后也可能被“去膨胀”（deflate）。

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3. 与语言语义的关系

• synchronized 的可重入性由 JVM 在对象监视器/计数上保证：同一线程嵌套进入计数+1，退出计数-1，归零才释放。

• 内存语义：进入同步块具备 Acquire，退出具备 Release，保证临界区的可见性与有序性；这与锁的形态无关。

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4. 性能与选型建议

• 短临界区、低竞争：轻量级路径（含自旋）最有效；确保临界区短小，减少共享数据与 I/O。

• 高竞争/长等待：很快膨胀成重量级；应考虑降低锁粒度、减少共享、或改用 java.util.concurrent 原语（如 ConcurrentHashMap、StampedLock、LongAdder 等）。

• 偏向锁（老版本）：对“绝大多数时间单线程进入”的对象（如线程私有结构）极佳；但现在已默认关闭/移除，无需手动调优。

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5. 常见问题与观察手段

• 自旋到底有没有用？
  适合“对方马上就释放”的短暂竞争；HotSpot 的自适应自旋会依据历史情况调整，减少无谓空转。

• 能看到形态吗？
  通过 JFR、-XX:+PrintCompilation、jcmd VM.info/jfr 事件、或更底层的 hsdis/perf 分析；生产上多用 JFR 看阻塞与竞争热度。

• 锁消除/粗化：JIT 逃逸分析可能做：

  • 锁消除：对象不会逃逸出线程 → 去掉无意义的 synchronized；

  • 锁粗化：频繁进入/退出小块同步 → 合并成更大块，降低边界开销。

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6. 一个微型示例（感知升级）

final Object lock = new Object();// 低竞争：大概率走轻量级，自旋即可拿到
Runnable low = () -> {for (int i = 0; i < 1_000_000; i++) {synchronized (lock) {// 极短的临界区}}
};// 高竞争：临界区里 sleep，容易膨胀成重量级
Runnable high = () -> {synchronized (lock) {try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException ignored) {}}
};// 组合运行，用 JFR 观察锁竞争与阻塞

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一句话记忆

synchronized 会根据竞争强度“自适应”地从无锁/（偏向）→ 轻量级自旋 → 重量级阻塞，以兼顾低开销与正确性。
新 JDK 已去偏向锁，理解“轻量级自旋 vs. 重量级膨胀”的阈值与代价，就能写出更稳的并发代码。