深度解析 synchronized 锁升级：无锁→偏向锁→轻量级锁→重量级锁的触发条件

深度解析 synchronized 锁升级机制

Java 中的 synchronized 锁升级是 JVM 优化同步性能的核心机制，其状态转换路径如下：

graph LR
A[无锁] --> B[偏向锁]
B --> C[轻量级锁]
C --> D[重量级锁]

1. 无锁 → 偏向锁

• 触发条件：
  当线程首次访问同步块时，JVM 检测到无竞争环境（即未发生过锁争用）。
• 核心机制：
  通过 CAS 操作将锁对象的 Mark Word 中的线程 ID 设置为当前线程 ID，并置标志位为 101（偏向模式）。
• 优势：
  后续该线程进入同步块时无需 CAS 操作，直接检查线程 ID 匹配即可。
• 数学描述：
  设 $T_{id}$ 为线程 ID，$M$ 为 Mark Word，偏向锁建立过程可表示为：
  $$ M_{\text{新}} = \text{CAS}(M_{\text{旧}}, \text{NULL}, T_{id}) \oplus \text{偏向模式位} $$

2. 偏向锁 → 轻量级锁

• 触发条件：
  当第二个线程尝试获取锁时（发生轻度竞争），JVM 在全局安全点撤销偏向锁。
• 核心机制：
  1. 暂停持有偏向锁的线程
  2. 检查原线程状态：
     • 若已退出同步块 → 直接转无锁状态
     • 若仍在同步块中 → 升级为轻量级锁
  3. 将 Mark Word 复制到线程栈帧（Lock Record），并用 CAS 替换为指向 Lock Record 的指针（标志位 00）。
• 数学描述：
  设 $P_{\text{LR}}$ 为 Lock Record 指针，升级过程为：
  $$ M_{\text{新}} = \text{CAS}(M_{\text{旧}}, M_{\text{原值}}, P_{\text{LR}}) $$

3. 轻量级锁 → 重量级锁

• 触发条件：
  满足以下任一条件：
  • 线程自旋超过阈值（默认 10 次）
  • 等待线程数 > CPU 核心数
  • 调用 wait() 等阻塞方法
• 核心机制：
  1. JVM 创建重量级锁的监视器（Monitor）
  2. 将 Mark Word 替换为指向 Monitor 的指针（标志位 10）
  3. 竞争线程进入阻塞队列，由操作系统调度
• 性能影响：
  线程切换成本从纳秒级升至微秒级，满足关系：
  $$ \text{切换开销}{\text{重量级}} \approx 100 \times \text{切换开销}{\text{轻量级}} $$

关键参数与优化

• 偏向锁延迟：
  默认开启延迟（-XX:BiasedLockingStartupDelay=4000ms），避免启动阶段的竞争误判。
• 降级机制：
  重量级锁不会主动降级，仅当对象无任何线程引用时回归无锁状态。
• 锁消除场景：
  若 JIT 编译器通过逃逸分析确认无竞争，会直接跳过锁升级流程。

通过此机制，JVM 实现了从低竞争（偏向锁）到高竞争（重量级锁）的自适应优化，平衡了同步性能与资源开销。