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Java里的偏向锁、轻量级锁与重量级锁升级流程_synchronized底层优化

P粉602998670

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发布时间:2026-03-06 08:34:03

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原创

java里的偏向锁、轻量级锁与重量级锁升级流程_synchronized底层优化

偏向锁在什么情况下会失效并撤销

偏向锁不是永久有效的,一旦有其他线程尝试获取同一把锁,JVM 就必须撤销它。这个过程叫 revoke_bias,开销不小——它需要安全点(safepoint),暂停所有线程,遍历栈帧检查是否持有该锁。

常见触发场景:

  • 另一个线程调用 monitorenter 时发现锁对象已偏向但不是自己,触发撤销
  • 锁对象被调用了 wait()notify()hashCode()(因为 hash 值会写入对象头,破坏偏向结构)
  • JVM 启动时未开启偏向锁(-XX:-UseBiasedLocking),或运行中通过 BiasedLockingStartupDelay 延迟启用后又被竞争打断

注意:撤销后对象头恢复为“无锁”状态,下次争用直接走轻量级锁路径,不会退回偏向。

轻量级锁自旋失败后怎么升级到重量级锁

轻量级锁靠 CAS 替换对象头中的指针实现,失败说明已有线程在持有锁。此时会进入自旋等待——但自旋不是无限的,由 PreBlockSpin(默认 10 次)和 CPU 核心数共同限制。

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升级条件很明确:

  • 自旋期间锁被释放,当前线程抢到,继续轻量级锁流程
  • 自旋耗尽仍没抢到,且锁持有线程还在运行(非阻塞态),则升级为重量级锁:将锁对象标记为 marked for inflation,新建 ObjectMonitor,原线程挂起进 _WaitSet_EntryList
  • 如果持有线程已退出同步块,对象头可能已恢复,此时无需升级,重试 CAS 即可

关键点:inflation 只发生一次。之后所有争用都直接走重量级锁逻辑,不再尝试轻量或偏向。

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synchronized 在逃逸分析后可能完全消除

逃逸分析(Escape Analysis)是 JIT 的优化手段,判断一个对象是否“逃逸”出当前方法或线程。如果锁对象是局部变量、未被返回、未被传入其它方法,JVM 可能判定它不会被多线程共享。

这时会发生锁消除(Lock Elision):

  • 不生成任何锁操作字节码,monitorenter/monitorexit 被直接删掉
  • 前提是开启了 -XX:+EliminateLocks(默认开启,依赖 -XX:+DoEscapeAnalysis
  • 常见于 StringBuffer.append()Vector.get() 等内部加锁方法,在局部使用时被优化掉

验证方式:用 -XX:+PrintCompilation-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly 查看编译后代码,或用 JMH 测性能差异——消除后就是纯对象操作,零同步开销。

重量级锁的 park/unpark 怎么和 ObjectMonitor 关联

重量级锁的核心是 ObjectMonitor 结构体,每个锁对象(java.lang.Object 实例)在首次膨胀时关联一个。它包含 _WaitSet(调用 wait() 的线程队列)、_EntryList(等待获取锁的线程队列)和 _owner(当前持有者)。

线程阻塞实际调用的是 Unsafe.park(false, 0),但背后由 ObjectMonitor::EnterIObjectMonitor::Wait 调度:

  • 争用失败时,线程被加入 _EntryList,然后 park() 挂起
  • notify()_WaitSet 摘一个线程,移到 _EntryList 尾部,再 unpark()
  • notifyAll() 则批量转移 + 批量 unpark()

注意:park()/unpark() 是 JVM 对 OS 线程调度的封装,底层可能是 futex(Linux)或 WaitForSingleObject(Windows),和 Java 层的 Thread.sleep() 无关。

真正容易被忽略的是:锁升级不可逆,且偏向锁撤销、轻量锁自旋、重量级锁阻塞这三步的开销差异极大——从纳秒级到微秒级再到毫秒级。别只盯着 synchronized 关键字,得看对象生命周期、线程竞争模式和 JVM 参数组合是否匹配。

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