Java中的`synchronized`关键字通过锁升级机制优化多线程竞争下的性能，其过程涉及偏向锁、轻量级锁和重量级锁的转换。以下是锁升级的详细过程：
### 1. **无锁状态**
- 对象初始化时处于**无锁状态**，此时对象头的Mark Word存储对象的哈希码、分代年龄等信息。
- 当首次有线程尝试获取锁时，JVM会根据竞争情况决定是否启用偏向锁。
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### 2. **偏向锁（Biased Locking）**
- **目的**：减少无竞争场景下的同步开销（如单线程重复访问同步块）。
- **流程**：
1. **偏向模式启用**：线程首次获取锁时，通过CAS将Mark Word中的线程ID设置为当前线程，并进入偏向模式。
2. **重入检查**：后续该线程进入同步块时，直接检查线程ID是否匹配，无需同步操作。
- **撤销条件**：
- 当另一线程尝试获取锁时，JVM会**暂停持有偏向锁的线程**，检查其是否仍在同步块中：
- 若已退出：撤销偏向锁，升级为**轻量级锁**。
- 若未退出：直接升级为轻量级锁，由两个线程通过CAS竞争。
- **注意**：JDK 15后默认禁用偏向锁（`-XX:-UseBiasedLocking`），因维护偏向锁的开销在某些场景下不划算。
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### 3. **轻量级锁（Thin Lock）**
- **目的**：在低竞争场景下，避免线程阻塞（通过自旋代替操作系统互斥）。
- **流程**：
1. **锁记录分配**：线程在栈帧中分配锁记录（Lock Record），存储对象头的Mark Word副本。
2. **CAS竞争**：尝试通过CAS将对象头的Mark Word替换为指向锁记录的指针：
- 成功：线程获得锁，Mark Word锁标志位变为轻量级锁（00）。
- 失败：触发自旋（循环尝试），若自旋超过阈值（或竞争加剧），升级为重量级锁。
- **自旋优化**：JDK 6引入自适应自旋（Adaptive Spinning），根据历史成功率动态调整自旋次数。
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### 4. **重量级锁（Heavyweight Lock）**
- **目的**：处理高竞争场景，通过操作系统互斥量（mutex）阻塞线程，避免CPU空转。
- **流程**：
1. **锁膨胀**：当轻量级锁自旋失败，JVM将对象关联到监视器（Monitor），Mark Word指向Monitor地址（锁标志位10）。
2. **线程阻塞**：未获取锁的线程进入阻塞队列，由操作系统调度唤醒。
- **特点**：涉及用户态到内核态的切换，开销较大，但能有效减少CPU资源浪费。
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### 锁升级示意图
```plaintext
无锁 → 偏向锁（无竞争） → 轻量级锁（低竞争） → 重量级锁（高竞争）
```
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### 关键细节补充
- **Mark Word结构**：对象头中的Mark Word动态存储锁状态、GC信息等，不同锁状态下格式不同（如图）。
- **不可逆升级**：锁升级是单向的（如重量级锁无法降级），但对象释放锁后可能回到无锁状态。
- **安全点（SafePoint）**：偏向锁撤销需在JVM安全点暂停线程，可能影响性能。
- **适用场景**：
- **偏向锁**：单线程重复访问同步块。
- **轻量级锁**：线程交替执行，竞争短暂。
- **重量级锁**：高并发、长耗时同步操作。
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### 示例代码说明
```java
public class LockExample {
private final Object lock = new Object();
public void method() {
synchronized (lock) { // 锁根据竞争情况逐步升级
// 同步代码块
}
}
}
```
### 总结
锁升级通过权衡不同竞争场景下的开销，优化`synchronized`性能。理解这一机制有助于编写高效并发代码，避免不必要的锁竞争。
