JVM 锁自动升级机制详解

JVM 中的锁升级是指 synchronized 锁从无锁状态逐步升级到重量级锁的过程，这是 Java 并发性能优化的核心机制之一。Java 8 的 ConcurrentHashMap 使用的 synchronized 正是受益于这套自动升级机制。

1. 锁升级的四个阶段

JVM 锁状态按照竞争程度从低到高分为：

无锁状态 (Unlocked)
偏向锁 (Biased Locking)
轻量级锁 (Lightweight Locking)
重量级锁 (Heavyweight Locking)

[无锁] → [偏向锁] → [轻量级锁] → [重量级锁]

2. 各阶段详细机制

2.1 偏向锁 (Biased Locking)

适用场景：没有实际竞争或只有单线程访问

实现原理：

在对象头 Mark Word 中记录偏向线程ID
后续进入时只需检查线程ID是否匹配
不涉及 CAS 操作和操作系统互斥

升级触发条件：

另一个线程尝试获取锁（产生竞争）

优势：

完全无同步开销（仅第一次有开销）
适合 ConcurrentHashMap 的单桶无竞争情况

2.2 轻量级锁 (Thin Lock)

适用场景：低竞争、短时间同步

实现原理：

在栈帧中建立锁记录(Lock Record)
使用 CAS 将对象头 Mark Word 替换为指向锁记录的指针
assembly 复制代码
```
cmpxchg  // CAS指令
```
成功则获取锁，失败则膨胀为重量级锁

升级触发条件：

CAS 操作失败（表示有竞争）
自旋超过阈值（默认10次，JVM可调节）

优势：

避免直接进入重量级锁
在用户态完成同步（无需内核介入）

2.3 重量级锁 (Heavyweight Lock)

适用场景：高竞争场景

实现原理：

通过操作系统的互斥量(mutex)实现
未获取锁的线程进入等待队列
涉及用户态到内核态的切换

特点：

性能开销大（约100ns级延迟）
保证公平性和可靠性

3. 锁升级全过程示例

以 ConcurrentHashMap 的桶锁为例：

java 复制代码

synchronized(bucketHead) {  // 桶头节点作为锁对象
    // 同步代码块
}

首次进入：
- 启用偏向锁，记录当前线程ID到对象头
同一线程再次进入：
- 检查线程ID匹配，直接执行（零开销）
第二个线程进入：
- 撤销偏向锁
- 升级为轻量级锁（CAS竞争）
CAS竞争失败：
- 自旋重试（自适应自旋）
- 自旋失败后升级重量级锁

4. 关键技术实现

4.1 对象头结构

复制代码

|---------------------------------------------------|
| Mark Word (64 bits)                               |
|---------------------------------------------------|
| unused:25 | identity_hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |
|---------------------------------------------------|

biased_lock：偏向锁标志
lock：锁状态标志
- 00：轻量级锁
- 01：无锁/偏向锁
- 10：重量级锁
- 11：GC标记

4.2 升级过程关键代码（HotSpot 实现）

cpp 复制代码

// 偏向锁撤销
void ObjectSynchronizer::fast_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS) {
    if (UseBiasedLocking) {
        BiasedLocking::revoke(obj, THREAD);
    }
    slow_enter(obj, lock, THREAD);
}

// 轻量级锁获取
void ObjectSynchronizer::slow_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS) {
    markOop mark = obj->mark();
    if (mark->is_neutral()) {  // 无锁状态
        lock->set_displaced_header(mark);
        if (mark == obj()->cas_set_mark(markOopDesc::INFLATING(), mark)) {
            // 膨胀为重量级锁
            ObjectSynchronizer::inflate(THREAD, obj())->enter(THREAD);
        }
    }
}

5. 性能影响与优化

5.1 各阶段典型耗时

锁阶段	耗时	特点
偏向锁	~1-2ns	仅第一次有开销
轻量级锁	~5-10ns	CAS操作开销
重量级锁	~100ns+	系统调用/上下文切换

5.2 JVM 调优参数

关闭偏向锁（高竞争场景）：
bash 复制代码
```
-XX:-UseBiasedLocking
```
调整自旋次数：
bash 复制代码
```
-XX:PreBlockSpin=10
```
启用自适应性自旋：
bash 复制代码
```
-XX:+UseSpinning
```

6. 在 ConcurrentHashMap 中的应用

理想情况：
- 多数桶无竞争 → 保持偏向锁状态
- 读操作完全无锁
中等竞争：
- 少量线程操作同一桶 → 轻量级锁
- 通过CAS快速解决冲突
高竞争：
- 热点桶出现 → 升级重量级锁
- 但仅限于单个桶不影响其他桶操作

7. 现代JVM的优化趋势

锁消除 (Lock Elision)：
- 逃逸分析确定对象不会逃逸时，直接消除锁
锁粗化 (Lock Coarsening)：
- 合并相邻的同步块减少锁开销
自适应自旋：
- 根据历史成功率动态调整自旋时间

这种自动升级机制使得：

无竞争时达到近乎无锁的性能
低竞争时保持高效
高竞争时保证正确性
完美适配 ConcurrentHashMap 的桶锁需求