Java 线程知识笔记 (六) 锁与锁的状态升级

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原创最新推荐文章于 2026-04-16 11:47:46 发布 325 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

高速PCB设计中串扰的成因、影响与实战控制策略在高速数字电路与硬件系统设计中，信号完整性是确保系统稳定可靠的核心基础。其核心原理在于，当信号在传输线上传播时，会伴随产生电场与磁场，若相邻导线距离过近，便会通过电磁场耦合产生不期望的能量转移，即串扰。这一现象会直接导致信号波形畸变、时序偏移和噪声裕量降低，严重影响系统性能。从技术价值看，深入理解并有效控制串扰，是提升数据传输速率、保障系统稳定性和降低误码率的关键。其应用场景广泛覆盖了从高速SerDes链路、DDR内存接口到高精度模拟电路等几乎所有现代电子系统。本文聚焦于高速PCB设计中的串扰问题，系统剖析阅读详情

前言

上一篇【Java 线程知识笔记 (五) synchronized 用法与原理分析】主要分析了synchronized的用法和原理，由于synchronized加锁后会导致所有其他线程无法访问必须进行等待，尤其是在JDK1.6以前，可以说synchronized是一个非常重量级的锁。为了提高synchronized的效率，Java官方对synchronized进行了一个优化，本篇就主要说说synchronized的优化与锁的升级。更多线程知识内容请点击【Java 多线程和锁知识笔记系列】

Java 1.6 的优化

Java 1.6以后官方针对锁的优化，主要是增加了两种新的锁：偏向锁和轻量级锁。再加上本身重量级锁，那么锁基本上可以大致分为这三种，它们之间的区别主要是体现在等待时间上面。重量级锁比较暴力，一旦某个资源被一个线程加了锁，那么其他线程就不要再有任何想法了，必须等待其释放资源才可以。如果时间较长，就会造成程序卡顿，甚至崩溃掉，为了改进加了两个新锁。这两种新锁的概念是如何优化的呢，就需要弄清楚对象和monitor的关系。

对象头结构

任何一个实例对象都有一些共同的信息即对象头、实例变量、填充数据。其中对象头就是加锁的基础，其中存储的就是加锁的信息；实例变量就是存的属性变量的信息，私有公有之类的；填充数据则是数据的起始地址。我们要说的还是对象头，下面是对象头结构：

长度	内容	描述
32/64 bit	Mark Word	存储对象的hashCode或者锁信息等
32/64 bit	Class Metadata Address	存储到对象类型数据的指针
32/64 bit	Array Length	数组的长度，如果当前对象是数组

从对象头的信息来看，Mark Word就是存放锁信息的地方，一共有32位用来存放锁信息，信息格式如下：

在这里插入图片描述

锁的状态

首先先解释下上表中锁状态的含义：

无锁状态：没有加锁，属于乐观锁，锁标记01。

偏向锁：在对象第一次被某一线程占有的时候，会检查偏向锁标记，然后把偏向锁标记置1，表示线程被占用使用的是偏向锁，锁标记置为01。接着写入线程ID，表示当前对象被哪个ID的线程占有了。当此线程占有期间，其他的线程访问的时候，就会有线程竞争。如果竞争成功，使用资源；如果竞争失败则等待下次竞争，偏向锁是轻量级锁，属于乐观锁。所谓的偏向锁，会比较倾向于首次占有的线程，也就是说两个线程竞争，第一次占有的线程会有比较大的概率分配到资源，这也就是偏向锁名称的由来：会偏向于首先占有该资源的线程。那么当前线程一旦具有优先权，其他线程很可能长久无法获取资源，为了改进这样一个状态，很多时候会采用大名鼎鼎非阻塞算法Compare and Swap(CAS)算法。正是因为这种特性，偏向锁更加适合用于竞争不激烈的时候。由于偏向锁会不断地和无锁状态进行切换，因此两者使用时间也是接近的。

轻量级锁：一般在线程有交替时使用。当偏向锁算法CAS竞争失败，就会修改偏向锁标记为00，升级为轻量级锁，属于乐观锁。

重量级锁：强互斥，锁住资源后不允许其他线程竞争，其他线程要想访问必须等待资源释放，等待时间长。当某资源已经处于轻量级锁的时候，会有别的线程前来竞争，继续竞争失败，则会修改标记为10，变为重量级锁，属于悲观锁。

自旋锁与锁消除

锁的升级也是要消耗时间的，尤其是不同等级之间的转换消耗的时间更多。而轻量级锁转换成重量级锁则是用户线程和核心线程（操作系统本身的线程）之间的转换非常耗时，所以我们要尽量减少这种转换，所以有了这样一种概念：当竞争失败的时候，先不着急进行转换，而是等待一会儿，由于线程执行的非常快，可能还没有升级到重量级锁的时候，资源就已经被释放了。正是基于这样一种逻辑，就有了自旋锁这一概念。

自旋锁：当竞争失败的时候，不是马上转化级别，而是执行几次空循环，如果执行空循环的时候，占有线程释放了资源，那么就不需要进行锁的升级，直接进行占用线程执行就好了因此自旋锁只是一种概念，并不是真正的锁。

锁消除： Java的即时编译编译器（JIT）在编译的时候把不必要的锁去掉。比如下面代码，用来给变量a赋值，就完全没有必要加锁，因此这个synchronized在编译的时候会被消去。

synchronized(this){
    int a=1;
}

锁的升级

除了上面所说，还要明白一个概念，锁永远都会加载对象(或者说堆中的资源上)上而不是线程上。所以升级过程为如下的步骤：

假设：线程A访问对象资源A则此时立刻对资源A加上偏向锁保证线程A访问资源A，且线程ID会被置为线程A。如果线程B来竞争，此时偏向锁不会主动释放，线程B可以看到该锁并知晓资源A已经被线程A使用，于是检查此时资源A是否被线程A使用（即线程A是否还存活），那么：

如果线程A已经销毁，则资源A分配给线程B，即分配偏向锁给线程B并把线程ID置为线程B。
如果线程A没有销毁，则检查线程A的操作栈，检查资源A的使用情况：
a). 如果线程A仍然在使用资源A，则把资源A升级为轻量级锁，保证线程A的使用；
b). 如果资源A已经不再使用，已经被线程A释放了，则资源A分配给线程B，后续同1。
资源A已经由于竞争，升级为轻量级锁（此时资源A依然是被线程A使用），线程B仍然需要竞争资源A。因为轻量级锁会被认为竞争程度低，所以线程B被允许尝试竞争，当线程B再次发现资源A被轻量级锁锁住时，线程B会进入自旋状态或者说自旋锁（即空转一定时间，比如空的循环等等，等待资源A被释放）。此时认为资源A会很快被释放，所以线程B进入空转等待资源A。
但是当自旋超过一定次数，或者线程C在线程B自旋时，也来请求资源A，则资源A的轻量级锁被升级为重量级锁。由于重量级锁能够使得除了拥有当前资源的线程以外的线程都阻塞，等待资源的释放。所以此时资源A和线程A被重量级锁绑在一起，不会释放给线程B、线程C，因此线程B和线程C必须等待线程A释放资源A以后在进行新的竞争。

说完这些，可能大家会有个疑问：为什么要进行锁的升级？假如很多线程都是处于轻量级上，都处于自旋状态，那么其中正在运行一个线程以及释放锁了，但是此时有很多线程在自旋，都在相互竞争。可能造成所有的线程都会一直自旋下去，CPU空转。为了阻止CPU空转，所以用重量级锁把除了正在运行的线程以外的所有线程阻塞，保证不会有新的竞争。但是要注意的是锁是由低到高的升级，而且只会升级，而不会降级。因为即便是重量级锁一旦占有线程释放了，就直接是无锁状态，不存在一层一层降级的过程。

锁的重入性

当有些时候必须对某个资源进行二次加锁也是可以的，比如下面这段代码做了多重加锁。这样也是可以的，之前的博客中说过Java中每一个对象都有一个monitor对象，也就是一个监视器，加锁就是通过这个监视器去加锁。当某一个线程要占有这个对象的时候，先去检查monitor对象的计数器是不是0，如果是0表示没有线程占有这个对象，则成功占有这个对象，并且对这个对象的monitor计数器+1。如果不为0，则说明这个对象已经被别的线程占用，那么就等待。当线程释放某个对象的占有时monitor的计数器-1。注意这里是减一不是置0，也就是说同一线程可以对同一对象进行多次加锁，进行不断地+1、+1，这个就是线程的重入性。

public synchronized void methodName3(){
    synchronized (this){
        // code ......
        synchronized (this){		//加锁的对象不同也可以，但是要避免对象交叉造成的死锁
            // code ......
            synchronized (this){
                // code ......
            }
        }
    }
}

悲观锁与乐观锁

悲观锁：一般指写操作比较多，包括增删改，读操作(查)比较少的锁。也指不允许竞争的锁，遇到必须等待。
乐观锁：一般指读(查)操作比较多，但是写操作比较少的锁。也指可以竞争的锁，可以尝试竞争。
因此很多时候悲观锁一般要加锁，乐观锁一般只用版本控制，读取到最新的数据即可。只是一个概念，并不特地指某种所。