Java锁机制：偏向锁、轻量锁、重量锁区别详解

本文深入解析了Java中synchronized关键字背后的锁机制优化，重点介绍了偏向锁、轻量级锁和重量级锁这三种锁状态的区别与转换。**Java偏向锁、轻量级锁、重量级锁是synchronized在不同竞争状态下的表现形式，核心目的是优化同步性能，减少不必要的锁开销**。文章阐述了它们各自适用的场景、实现原理以及优缺点，例如偏向锁适用于单线程场景，轻量级锁通过CAS自旋减少阻塞，重量级锁依赖操作系统实现线程公平性。同时，还介绍了锁升级的不可逆过程以及JVM的其他优化技术，如锁消除和锁粗化。理解这些锁机制有助于开发者编写更高效的并发程序，提升Java应用的整体性能。

偏向锁、轻量级锁和重量级锁是JVM为优化synchronized性能引入的三种锁状态。1.偏向锁适用于单线程无竞争场景，通过记录线程ID避免同步操作；2.轻量级锁用于多线程交替执行场景，采用CAS和自旋机制减少阻塞开销；3.重量级锁用于多线程激烈竞争场景，依赖操作系统实现线程公平性但带来较大性能开销。锁升级过程不可逆，从偏向锁升级至轻量级锁再至重量级锁，目的是根据不同竞争程度自动选择最优策略，最终提升程序性能。

Java中的偏向锁、轻量级锁和重量级锁，本质上是JVM为了优化synchronized关键字而引入的三种锁状态。它们代表了锁竞争程度由低到高的不同阶段，目的是在不同场景下尽可能减少锁的开销，提高程序性能。

偏向锁、轻量级锁、重量级锁是synchronized在不同竞争状态下的表现形式，核心目的是优化同步性能，减少不必要的锁开销。理解它们有助于我们编写更高效的并发程序。

锁升级的过程是不可逆的，只能由偏向锁升级为轻量级锁，再升级为重量级锁。这个过程是为了在不同场景下选择最合适的锁策略，从而提高性能。

为什么需要这些锁？synchronized不是已经够用了吗？

synchronized关键字是Java中实现同步的基本方式，但它是一种比较重量级的操作。在多线程环境下，频繁地获取和释放锁会导致大量的上下文切换，影响程序性能。

偏向锁、轻量级锁的引入，就是为了在没有或很少线程竞争的情况下，减少synchronized带来的性能开销。例如，在单线程环境下，偏向锁可以避免CAS操作，直接将锁赋予该线程。而在多个线程交替执行的情况下，轻量级锁可以通过自旋来避免线程阻塞。

synchronized最初实现就是重量级锁，依赖操作系统的Mutex Lock实现，涉及用户态和内核态的切换，开销很大。后来JVM对synchronized进行了优化，引入了偏向锁和轻量级锁，来降低锁的开销。

偏向锁：线程“偏爱”的锁

偏向锁，顾名思义，就是“偏向”于第一个获取它的线程。当一个线程获取到偏向锁后，会在对象头中记录该线程的ID。以后该线程再次进入同步块时，不需要进行任何同步操作，直接可以继续执行，从而避免了CAS操作的开销。

偏向锁的适用场景是只有一个线程访问同步块的情况。如果存在其他线程竞争，偏向锁会升级为轻量级锁。

偏向锁的实现原理：对象头Mark Word中存储线程ID。当线程再次访问时，检查Mark Word中的线程ID是否与当前线程ID一致，如果一致，则认为该线程已经持有锁，直接执行。

偏向锁的撤销：当有其他线程尝试获取偏向锁时，偏向锁会被撤销。撤销的过程需要等到全局安全点（safepoint），暂停拥有偏向锁的线程，然后检查该线程是否还在使用该对象。如果不再使用，则将对象头设置为无锁状态，并重新偏向于新的线程；否则，升级为轻量级锁。

偏向锁的优点：减少了锁竞争带来的开销，提高了单线程访问同步块的性能。

偏向锁的缺点：适用于单线程场景，如果存在线程竞争，会增加锁撤销的开销。

可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking

轻量级锁：自旋的尝试

当偏向锁遇到竞争时，会升级为轻量级锁。轻量级锁并不是真的锁，而是一种通过CAS（Compare and Swap）操作尝试获取锁的机制。

当线程尝试获取轻量级锁时，会将对象头的Mark Word复制到线程的Lock Record中，然后尝试使用CAS操作将对象头的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。如果CAS操作成功，则表示线程获取到了锁；如果CAS操作失败，则表示存在其他线程竞争锁，当前线程会进入自旋状态，不断尝试CAS操作。

轻量级锁的适用场景是多个线程交替执行同步块的情况。自旋可以避免线程阻塞，减少了上下文切换的开销。但是，如果线程长时间自旋仍然无法获取到锁，会消耗大量的CPU资源。

轻量级锁的实现原理：利用CAS操作和自旋机制尝试获取锁。

轻量级锁的自旋：自旋是指线程不断地尝试获取锁，而不是立即阻塞。自旋的次数是有限制的，可以通过JVM参数进行配置：-XX:PreBlockSpin。如果自旋超过一定的次数仍然无法获取到锁，轻量级锁会升级为重量级锁。

轻量级锁的优点：减少了线程阻塞带来的开销，提高了多线程交替执行同步块的性能。

轻量级锁的缺点：如果线程长时间自旋仍然无法获取到锁，会消耗大量的CPU资源。

重量级锁：真正的阻塞

当轻量级锁自旋一定次数后仍然无法获取到锁，会升级为重量级锁。重量级锁是真正的锁，依赖操作系统的Mutex Lock实现。当线程尝试获取重量级锁时，会被阻塞，进入等待队列。当锁被释放时，操作系统会唤醒等待队列中的一个线程，使其获取锁。

重量级锁的适用场景是多个线程同时竞争锁的情况。虽然重量级锁会带来线程阻塞的开销，但是可以保证线程的公平性，避免出现饥饿现象。

重量级锁的实现原理：依赖操作系统的Mutex Lock实现，涉及用户态和内核态的切换。

重量级锁的优点：可以保证线程的公平性，避免出现饥饿现象。

重量级锁的缺点：会带来线程阻塞的开销，影响程序性能。

如何选择合适的锁？

选择合适的锁策略需要根据具体的应用场景进行权衡。

• 如果只有一个线程访问同步块，可以使用偏向锁。
• 如果多个线程交替执行同步块，可以使用轻量级锁。
• 如果多个线程同时竞争锁，可以使用重量级锁。

在实际开发中，我们不需要手动选择锁策略，JVM会根据锁的竞争程度自动进行锁升级。但是，了解锁的升级过程有助于我们编写更高效的并发程序。

锁消除和锁粗化：JVM的优化

除了偏向锁、轻量级锁和重量级锁之外，JVM还提供了一些其他的锁优化技术，例如锁消除和锁粗化。

锁消除是指JVM在编译时检测到一些不可能存在竞争的锁，会将这些锁消除掉，从而减少锁的开销。

锁粗化是指JVM将多个相邻的锁合并成一个更大的锁，从而减少锁的获取和释放次数。

这些优化技术都是为了尽可能减少锁的开销，提高程序性能。

总而言之，Java中的偏向锁、轻量级锁和重量级锁是JVM为了优化synchronized关键字而引入的三种锁状态。它们代表了锁竞争程度由低到高的不同阶段，目的是在不同场景下尽可能减少锁的开销，提高程序性能。理解这些锁的原理和适用场景，有助于我们编写更高效的并发程序。

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