面试官：synchronized的锁升级过程是怎样的？

大家好，我是大明哥，一个专注「死磕 Java」系列创作的硬核程序员。

回答

在 JDK 1.6之前，synchronized 是一个重量级、效率比较低下的锁，但是在JDK 1.6后，JVM 为了提高锁的获取与释放效，,对 synchronized 进行了优化，引入了偏向锁和轻量级锁，至此，锁的状态有四种，级别由低到高依次为：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。

锁升级就是无锁 —> 偏向锁 —> 轻量级锁 —> 重量级锁 的一个过程，注意，锁只能升级，不能降级。

原理详解

对象头

HotSpot 虚拟机中，对象在内存中存储布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）：

对象头：分为Mark Word 和对象指针
- Mark Word：存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。
- 对象指针：存储指向类元数据的指针，使得能够访问对象属于的类的信息。
实例数据：存储对象的实际有效信息，也就是我们在类中所定义的各种类型的字段内容。
对齐填充：可选字段，通常存在于对象的末尾，用于确保对象的大小是8字节的倍数（因为许多JVM都使用8字节的对象对齐）。这是出于性能考虑，使得对象的地址在内存中是对齐的。

synchronized 锁相关的信息主要是在 Mark Word 区域，我们先看看 Mark Word。

Mark Word

synchronized 用的锁存在锁对象的对象头的Mark Word中，我们先看 Mark Word 到底长什么样。

锁分类

无锁

无锁可以理解为单线程轻松愉快地运行，没有其他的线程来和其竞争。但是无锁不代表没有同步，它只是表示锁对象目前没有被任何线程显式锁定。

偏向锁

偏向锁 JDK 1.6 引入的一种锁优化机制。

何谓“偏向”？就是锁对象会偏向于第一个获得它的线程。什么意思呢。

当一个线程访问同步代码块并获取锁时，该锁会进入偏向模式，锁标志的状态将被设置为偏向（01），并且锁的拥有者被设置为当前线程（偏向锁线程 id = 当前线程 id）。当该线程执行完同步代码块后，线程并不会主动释放偏向锁。当线程再次进入同步代码块时，会首先判断此时持有锁的线程与它是否为同一线程，如果是则正常往下执行，由于此前是没有释放锁的，所以这次就不会有任何的获取锁操作。

所以，偏向锁是指当一段同步代码一直被同一个线程所访问时，就不存在所谓的多线程竞争了，那么该线程在后续访问时便会自动获得锁，从而降低获取锁带来的消耗，即提高性能。

偏向锁的锁释放是一个被动过程，线程不会主动释放偏向锁，只有当其他线程来竞争偏向锁时，JVM 才会检测到锁的状态并触发撤销。但是撤销需要等待全局安全点（所有线程会暂停），JVM 会在全局安全点时判断锁对象是否处于被锁定状态，如果没有被锁定，且持有锁的线程不处于活动状态，则将对象头设置为无锁状态，并撤销偏向锁。

所以，引入偏向锁的目的是认为当前环境下是不存在多线程竞争的场景，可以认为是单线程环境，同一个线程多次持有锁，减少单线程环境下获取锁带来的不必要。

流程图如下:

轻量级锁

当一个线程持有偏向锁时，另外一个线程来竞争锁，这时偏向锁就会升级为轻量级锁。

轻量级锁的竞争方式一种比较轻量级的竞争方式，当某个线程没有获取到锁，它并不是立刻被挂起，而是采取自旋的方式来竞争锁资源。在竞争较少的情况下，轻量级锁通过减少线程阻塞和唤醒操作，可以提高性能。

轻量级锁的目的在于它认为系统当前的竞争环境不是激烈，如果采取阻塞和唤醒线程的方式，则会过多地消耗系统资源。如果某个线程没有获取到轻量级锁，则采取自旋的方式来判断锁资源是否已被释放。这种方式减少了上线文的切换。

但是长时间的自旋操作是非常消耗资源的，一个线程获取了轻量级锁，其他线程就只能在那里“空耗”，它们不释放 CPU 资源，但也不做任何事，这种现象叫做忙等（busy-waiting）。所以，我们是允许短时间的忙等，用它来换取线程在用户态和内核态之间切换的开销。

触发轻量级锁的条件是两个：

关闭偏向锁（-XX:-UseBiasedLocking）
多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁

流程图如下：

重量级锁

轻量级锁自旋是要有限度的，你不能一直在那里空转，所以如果锁竞争环境比较严重，当自旋次数达到某个阈值（默认 10 次，可自动调整）后，就是停止自旋，此时锁膨胀为重量级锁。当其膨胀为重量级锁后，其他线程就不再是等待了，而是阻塞等待。重量级锁依赖对象内部的监视器（monitor）实现，而 monitor 依赖的是操作系统的 MutexLock（互斥锁）。

由于是重量级锁，那么等待锁资源的线程都会被阻塞，虽然阻塞的线程不会消耗 CPU，但是阻塞或者唤醒一个线程都需要通过底层操作系统来实现，它会涉及到上下文切换，用户态和内核态之间的转换，这本身就是一个非常重量级、高开销的操作。

锁升级过程

锁升级就是无锁 —> 偏向锁 —> 轻量级锁 —> 重量级锁 的一个过程，注意，锁只能升级，不能降级。流程图如下：

JVM 启动后，锁资源对象直到有第一个线程访问时，它都是无锁状态，此时 Mark Word 内容如下：

偏向锁标识为 0，锁标识为 01。

当锁对象首次被某个线程（假如为线程 A，id 为 1000001）时，锁就会从无锁状态升级偏向锁。偏向锁会在 Mark Word 中的偏向锁线程 id 存储当前线程的id（1000001），偏向锁标识为 1，锁标识为 01，如下：

如果当前线程再次获取该锁对象，只需要比较偏向锁线程 id 即可。

当有其他线程（假如为线程 B，id 为 1000002）来竞争该锁对象，此时锁为偏向锁，这个时候会比较偏向锁的线程 id 是否为线程 B 1000002，我们可以判断不是，所以会利用 CAS 尝试修改 Mark Word，如果成功，则线程 B 获取偏向锁成功，此时 Mark Word 中的偏向锁线程 id 为线程 B id 1000002：

但如果失败了，就说明当前环境可能存在锁竞争，则需要执行偏向锁撤销操作。等到全局安全点时，JVM 会暂停持有偏向锁的线程 A，检查线程 A 的状态，若线程 A状态为不活跃或者已经执行完了同步代码块，则设置锁对象为无锁状态（线程 ID 为空，偏向锁 0 ，锁标志位为01）重新偏向，同时恢复线程 A，继续获取偏向锁。如果线程 A 的同步代码块还没执行完，则需要升级为轻量级锁。
在升级为轻量级锁之前，持有偏向锁的线程 A是暂停的，JVM 首先会在线程 A 的栈中创建一个名为锁记录的空间（Lock Record），用于存放锁对象目前的 Mark Word 的拷贝，然后拷贝对象头中的 Mark Word 到线程 A 的锁记录中（官方称之为 Displaced Mark Word ），若拷贝成功，JVM 将使用 CAS 尝试将对象头重的 Mark Word 更新为指向线程 A 的 Lock Record 的指针，成功，线程 A 获取轻量级锁，此时 Mark Word 的锁标志位为 00，指向锁记录的指针指向线程 A 的锁记录地址，如下图：

对于其他线程而言，也会在栈帧中建立锁记录，存储锁对象目前的 Mark Word 的拷贝。也利用 CAS 尝试将锁对象的 Mark Word 更正指向自身线程的 Lock Record，如果成功，表明竞争到轻量级锁，则执行同步代码块。如果失败，那么线程尝试使用自旋的方式来等待持有轻量级锁的线程释放锁。当然，它不会一直自旋下去，因为自旋的过程也会消耗 CPU，而是自旋一定的次数，如果自旋了一定次数后还是失败，则升级为重量级锁，阻塞所有未获取锁的线程，等待释放锁后唤醒。

最后是，锁升级过程的详细流程（此图来源于网上）：