轻量级锁 vs 重量级锁：核心区别与设计哲学
在JVM的锁优化体系中，轻量级锁和重量级锁是两种不同竞争强度下的解决方案。它们的核心差异体现在 资源消耗、适用场景和实现机制 上。以下是详细对比：
一、轻量级锁（Thin Lock）
1. 设计目标
• 优化场景：针对 低竞争 或 短时间持有锁 的情况（如两个线程交替访问同步块）。
• 核心思想：通过 CAS自旋 避免线程直接阻塞，减少用户态到内核态的切换开销。
2. 实现原理
• 锁记录（Lock Record）：
线程在栈帧中分配一个Lock Record空间，存储锁对象的Mark Word副本。
• CAS竞争：
通过CAS操作尝试将锁对象的Mark Word替换为指向Lock Record的指针。
• 成功：线程获取锁，Mark Word标志位变为轻量级锁（00）。
• 失败：触发 自旋等待 或 锁膨胀（升级为重量级锁）。
3. "轻"在哪里？
| 维度 | 轻量级锁 | 原因 |
|---|---|---|
| 资源消耗 | 仅需栈帧中的Lock Record和少量CAS操作 | 不涉及内核态切换，无线程阻塞 |
| 性能开销 | 纳秒级自旋（CPU空转） | 自旋时间短（JDK6后自适应调整），避免上下文切换 |
| 适用场景 | 线程交替执行同步块（如短任务、低并发） | 竞争概率低，自旋成功率高 |
4. 示例流程
Object obj = new Object();
synchronized (obj) { // 1. 栈帧创建Lock Record
// 2. CAS替换Mark Word
// 3. 成功则进入同步块
}
二、重量级锁（Heavyweight Lock）
1. 设计目标
• 处理高竞争：当多个线程激烈争抢同一锁时（如长时间持有锁或高并发场景）。
• 核心机制：通过操作系统提供的 互斥量（Mutex） 和 条件变量 实现线程阻塞与唤醒。
2. 实现原理
• Monitor对象：
每个Java对象关联一个ObjectMonitor（C++实现），包含：
• _owner：持有锁的线程
• _EntryList：阻塞等待锁的线程队列
• _WaitSet：调用wait()的线程队列
• 内核介入：
线程竞争失败后，直接进入阻塞状态（通过pthread_mutex_lock），由操作系统调度唤醒。
3. "重"在哪里？
| 维度 | 重量级锁 | 原因 |
|---|---|---|
| 资源消耗 | 需要维护ObjectMonitor和内核级线程调度 | 涉及用户态→内核态切换，系统调用开销大 |
| 性能开销 | 微秒级线程阻塞与唤醒 | 线程阻塞导致上下文切换（CPU寄存器和堆栈保存/恢复） |
| 适用场景 | 长时间持有锁或高并发竞争（如数据库连接池） | 自旋代价过高，直接阻塞更高效 |
4. 示例流程
synchronized (highContentionLock) { // 1. 竞争失败后加入_EntryList
// 2. 线程被OS挂起
// 3. 锁释放时唤醒等待线程
}
三、关键对比总结
| 特性 | 轻量级锁 | 重量级锁 |
|---|---|---|
| 锁标志位 | 00（Mark Word中） | 10（Mark Word中） |
| 竞争处理 | CAS自旋（用户态） | 线程阻塞（内核态） |
| 资源占用 | 栈帧中的Lock Record | ObjectMonitor+内核队列 |
| 性能开销 | 低（自旋消耗CPU周期） | 高（上下文切换、系统调用） |
| 升级触发条件 | 自旋失败或竞争激烈 | 轻量级锁膨胀或显式调用wait() |
四、锁升级的全流程
1. 无锁 → 偏向锁（单线程访问）
└─ 出现第二个线程 → 撤销偏向锁
2. 轻量级锁（CAS自旋）
└─ 自旋失败/长时间竞争 → 膨胀为重量级锁
3. 重量级锁（OS互斥量）
五、实际场景与调优建议
-
优先使用轻量级锁
• 适用场景：短任务、低并发（如局部变量的同步块）。
• 调优参数：-XX:PreBlockSpin=10（调整自旋次数，JDK6后自适应无需手动设置）。 -
避免重量级锁的滥用
• 问题：高竞争时频繁阻塞/唤醒会导致性能骤降。
• 解决方案：
◦ 减小锁粒度（如ConcurrentHashMap分段锁）。
◦ 改用无锁结构（如AtomicLong）。 -
监控锁状态
• 工具：
◦ JOL（Java Object Layout）查看对象头：
java System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
◦ JConsole检查锁竞争：监控线程阻塞和等待时间。
总结
• 轻量级锁的"轻"：体现在用户态自旋、低资源占用，适合短暂竞争。
• 重量级锁的"重"：体现在内核态阻塞、高系统开销，应对高并发竞争。
• 设计哲学：JVM通过锁升级机制（偏向→轻量级→重量级）实现 按需分配资源，平衡性能与安全性。理解这一机制有助于编写高效并发代码，并在性能调优时精准定位锁瓶颈。
