Synchronized升级过程是怎样的

# Synchronized升级过程是怎样的

## 一、前言

在多线程并发编程中，`synchronized`关键字是Java中最基础的线程同步机制。随着JDK版本的迭代，`synchronized`的底层实现经历了多次优化，其性能已大幅提升。本文将深入剖析`synchronized`从无锁状态到重量级锁的完整升级过程，揭示Java虚拟机如何通过**锁膨胀机制**实现高效并发控制。

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## 二、synchronized的锁状态体系

### 2.1 对象头结构（64位JVM）
```java
|----------------------------------------------------------------------|
| Mark Word (64 bits)                  | Klass Word (64 bits)           |
|----------------------------------------------------------------------|
| unused:25 | identity_hashcode:31     | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |
|----------------------------------------------------------------------|

锁状态通过Mark Word中的biased_lock和lock标志位组合表示：

三、锁升级的完整流程

3.1 第一阶段：无锁 → 偏向锁

触发条件：首次有线程访问同步代码块

1. 偏向锁延迟启用机制
   JVM启动后默认延迟4秒才启用偏向锁（可通过-XX:BiasedLockingStartupDelay=0禁用）

2. CAS设置偏向线程ID

   if (mark->is_neutral()) {
    // 使用CAS替换Mark Word为偏向模式
    new_header = mark->biased_patter();
    if (Atomic::cmpxchg_ptr(new_header, obj->mark_addr(), mark) == mark) {
      // 偏向成功
    }
   }
   

注意事项： - 偏向锁不会主动释放 - 计算hashcode会禁用偏向锁（因Mark Word需要存储hash）

3.2 第二阶段：偏向锁 → 轻量级锁

触发条件：出现第二个线程竞争

1. 撤销偏向锁（Revoke）
   当线程T2检测到当前偏向T1时：

   • 暂停T1线程（STW）
   • 检查T1栈帧中的锁记录
   • 若T1已退出同步块，则直接转换为无锁状态
   • 若T1仍在执行，则升级为轻量级锁

2. 创建Lock Record
   每个线程会在栈帧中创建锁记录（Lock Record），存储：

   • displaced_mark_word：无锁状态的Mark Word拷贝
   • owner指针：指向锁对象

3.3 第三阶段：轻量级锁 → 重量级锁

触发条件：CAS自旋失败（默认自旋10次，可通过-XX:PreBlockSpin调整）

1. 膨胀为重量级锁
   JVM会向操作系统申请monitor对象：

   ObjectMonitor * monitor = ObjectSynchronizer::inflate(thread, obj);
   

2. 修改Mark Word
   将Mark Word指向monitor对象，标志位变为10

3. 进入等待队列
   竞争失败的线程进入cxq队列（Contention List）

四、关键技术实现

4.1 偏向锁批量重偏向（Bulk Rebiasing）

当一类对象的偏向锁被撤销超过20次（-XX:BiasedLockingBulkRebiasThreshold），JVM会认为该类不适合偏向锁，后续实例将直接进入轻量级锁状态。

4.2 自适应自旋（Adaptive Spinning）

JDK 1.6引入的优化： - 成功案例：增加自旋次数 - 失败案例：减少自旋次数 - 通过-XX:+UseSpinning启用（JDK6后默认开启）

4.3 锁粗化（Lock Coarsening）

// 连续同步代码块会被合并
synchronized(obj){...}
synchronized(obj){...} 
// 优化为：
synchronized(obj){... ...}

五、性能对比测试

5.1 不同锁状态吞吐量对比（ops/ms）

测试环境：JDK11，4C8G虚拟机

六、生产环境调优建议

1. 关闭偏向锁
   对明确不存在锁竞争的代码（如private方法）：

   -XX:-UseBiasedLocking
   

2. 控制自旋次数
   对长同步块适当减少自旋：

   -XX:PreBlockSpin=5
   

3. 监控锁竞争
   使用JFR检测：

   jcmd <pid> JFR.start duration=60s filename=lock.jfr
   

七、总结

synchronized的升级路径本质是JVM在时间成本（用户态CAS）与空间成本（内核态阻塞）之间的动态权衡。理解这个过程有助于： - 合理设计同步代码块粒度 - 正确分析线程竞争问题 - 针对性优化高并发场景性能

随着ZGC等新垃圾收集器的普及，未来synchronized可能与协程（Loom项目）深度整合，展现出更高效的同步能力。

本文基于OpenJDK11源码分析，不同JVM实现可能存在差异 “`

注：实际完整文章包含更多代码示例、流程图和参考文献，此处为简洁版核心内容框架。如需扩展具体章节或补充特定细节，可进一步补充完善。