java synchronized 锁优化的核心机制及其工作原理

一、锁优化的底层基础：对象头 (Object Header)

每个 Java 对象在内存中分为三部分：

对象头 (Header)：存储锁状态、GC 分代年龄等元数据。

实例数据 (Instance Data)：对象的字段信息。

对齐填充 (Padding)：保证对象大小是 8 字节的整数倍。

对象头的关键结构：

Mark Word：记录对象的锁状态和哈希码（32/64 位结构不同）。

Klass Pointer：指向类元数据的指针。

（如果是数组）数组长度。

Mark Word 的锁标记位决定了锁的当前状态（无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁）。

二、锁升级过程：从无锁到重量级锁

JVM 会根据竞争情况逐步升级锁状态，避免直接使用重量级锁：

1. 偏向锁 (Biased Locking)

目标：消除无竞争场景下的同步开销。

原理：

第一个获取锁的线程会将线程 ID 写入 Mark Word，进入偏向模式。

后续如果没有其他线程竞争，持有偏向锁的线程无需 CAS 操作即可直接进入同步块。

适用场景：单线程重复访问同步代码。

升级条件：当其他线程尝试竞争偏向锁时，偏向锁会撤销并升级为轻量级锁。

2. 轻量级锁 (Lightweight Locking)

目标：减少多线程交替执行但无竞争时的锁开销。

原理：

线程在栈帧中创建锁记录（Lock Record），将 Mark Word 复制到其中。

使用 CAS 操作将 Mark Word 替换为指向锁记录的指针。

成功则获得锁；失败则自旋尝试，失败次数过多会升级为重量级锁。

适用场景：线程交替执行同步块，无实际竞争。

升级条件：自旋超过阈值（默认 10 次）或竞争激烈。

3. 重量级锁 (Heavyweight Locking)

原理：通过操作系统互斥量（Mutex Lock）实现，未抢到锁的线程会被阻塞，进入等待队列。

适用场景：高并发竞争场景。

开销：涉及用户态到内核态的切换，导致上下文切换和线程调度延迟。

三、其他关键优化技术

1. 自旋锁 (Spin Lock)

目标：减少线程阻塞的概率。

原理：线程在竞争轻量级锁失败时，不立即阻塞，而是循环（自旋）尝试获取锁。

自适应自旋（JDK 6+）：JVM 根据前一次自旋的成功率动态调整自旋次数。

2. 锁消除 (Lock Elimination)

目标：移除不必要的同步操作。

原理：JIT 编译器通过逃逸分析（Escape Analysis），判断同步块内的对象是否仅被单个线程访问。若是，则直接消除锁。

示例：

public void method() {

Object lock = new Object(); // 局部变量，不会逃逸出方法

synchronized(lock) { // 锁会被 JVM 消除

// ...

}

}

3. 锁粗化 (Lock Coarsening)

目标：减少频繁加锁/解锁的开销。

原理：将多个连续的加锁操作合并为一个更大的锁范围。

示例：

for (int i = 0; i < 100; i++) {

synchronized(this) { // 循环内反复加锁会被粗化为外层一次加锁

// ...

}

}

四、锁优化的实践建议

减少锁粒度：缩小同步块范围（如使用 ConcurrentHashMap 的分段锁）。

避免锁竞争：优先使用无锁数据结构（如 CAS 操作、AtomicInteger）。

权衡锁策略：高并发场景下，可关闭偏向锁（-XX:-UseBiasedLocking）以减少撤销开销。

监控锁状态：通过 JVM 参数（如 -XX:+PrintFlagsFinal）或工具（JConsole、Arthas）分析锁竞争。

总结

Java 的 synchronized 锁通过 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁 的逐步升级策略，结合 锁消除、锁粗化、自适应自旋 等优化技术，在保证线程安全的同时，显著降低了同步开销。理解这些机制有助于编写高效并发代码和性能调优。