从字节码与对象头Mark Word角度，详细描述synchronized从偏向锁升级为重量级锁的全过程，以及每个阶段的性能特征。

Question

从字节码与对象头Mark Word角度，详细描述synchronized从偏向锁升级为重量级锁的全过程，以及每个阶段的性能特征。

Answer 1

晚上好🌙🌙🌙
本答案参考通义千问

从字节码与对象头Mark Word的角度，详细描述synchronized从偏向锁升级为重量级锁的全过程，以及每个阶段的性能特征如下：

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一、基本概念回顾

1. synchronized关键字的作用

synchronized是Java中用于实现线程同步的关键字，它通过**Monitor（监视器）**机制控制对共享资源的访问。

2. 对象头结构（Mark Word）

在JVM中，每个对象都有一个对象头（Object Header），其中包含：

• Mark Word：存储对象的哈希码、锁状态、线程ID等信息。
• Class Pointer：指向类元数据的指针。
• Array Length（如果是数组对象）：数组长度。

在不同锁状态下，Mark Word的内容会发生变化。

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二、synchronized的锁状态演变

Java中的synchronized支持四种锁状态，按性能由高到低依次为：

1. 无锁
2. 偏向锁（Biased Locking）
3. 轻量级锁（Thin Lock / Non-migrating Lock）
4. 重量级锁（Heavyweight Lock / Monitor Lock）

当多个线程竞争同一把锁时，锁会从偏向锁逐步升级为重量级锁。

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三、从偏向锁升级为重量级锁的全过程

1. 初始状态：无锁

• Mark Word 中保存的是对象的哈希码（或0），没有锁信息。
• 线程第一次获取锁时，会尝试偏向锁。

注意：默认情况下，偏向锁是开启的（可以通过JVM参数关闭）。

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2. 偏向锁（Biased Locking）

• 触发条件：第一个线程获取锁。
• Mark Word 内容：
  • 存储当前线程ID
  • 锁标志位为 01
• 性能特征：
  • 极低开销，因为不需要CAS操作
  • 适合单线程访问的场景
  • 缺点：如果发生竞争，需要进行锁撤销

代码示例：

public synchronized void method() {
    // 方法体
}

字节码：

  public void method();
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=0, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: monitorenter
         2: ...
         9: monitorexit
        10: goto 16
       13: astore_1
       14: aload_1
       15: athrow

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3. 偏向锁撤销（Biased Lock Revocation）

• 触发条件：有其他线程尝试获取锁（即存在竞争）
• 过程：
  • JVM会检查当前锁是否处于偏向状态
  • 如果是，则将该锁撤销，并尝试升级为轻量级锁
  • 此时Mark Word中会保存指向轻量级锁的指针

性能特征：

• 比无锁稍高，但比重量级锁低
• 锁撤销代价较高，可能导致性能抖动

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4. 轻量级锁（Thin Lock）

• 触发条件：多个线程竞争锁，但没有长期阻塞
• Mark Word 内容：
  • 指向当前持有锁的线程的栈帧地址（称为Displaced Mark Word）
  • 锁标志位为 00
• 性能特征：
  • 较轻量，使用CAS操作来尝试获取锁
  • 适合短时间竞争的场景
  • 缺点：如果锁被长时间占用，会导致频繁CAS失败，进而升级为重量级锁

代码示例（非显式加锁）：

synchronized (obj) {
    // 代码块
}

字节码：

  public void test();
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter
         4: ...
        10: monitorexit
        11: aload_1
        12: invokevirtual #2                  // Method java/lang/Object.toString:()Ljava/lang/String;
        15: pop
        16: goto 24
        19: astore_2
        20: aload_1
        21: monitorexit
        22: aload_2
        23: athrow

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5. 重量级锁（Heavyweight Lock）

• 触发条件：轻量级锁多次失败，或者锁被长期占用
• 过程：
  • JVM将锁升级为重量级锁
  • Mark Word 中保存的是指向Monitor对象的指针
  • 线程进入等待队列（Entry List）
• 性能特征：
  • 最高开销，涉及系统调用（如park()/unpark()）
  • 适用于长期竞争的场景
  • 缺点：上下文切换和调度成本高，影响性能

代码示例：

public synchronized void longRunningMethod() {
    // 长时间运行的方法
}

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四、各阶段性能对比

| 锁状态 | 性能特征 | 适用场景 | |------------|----------------------------------|------------------------------| | 无锁 | 最快，无锁开销 | 单线程访问 | | 偏向锁 | 极低开销，适合单线程 | 单线程访问，无竞争 | | 轻量级锁 | 较低开销，CAS操作 | 短暂竞争 | | 重量级锁 | 最高开销，涉及系统调用 | 长期竞争，多线程并发 |

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五、总结

从偏向锁升级为重量级锁的过程如下：

1. 无锁状态 → 第一线程获取锁 → 偏向锁
2. 偏向锁 → 其他线程竞争 → 偏向锁撤销
3. 偏向锁撤销 → 尝试CAS获取锁 → 轻量级锁
4. 轻量级锁 → 多次失败或长期占用 → 重量级锁

关键点：
偏向锁适用于单线程访问，轻量级锁适用于短暂竞争，重量级锁适用于长期竞争。
锁升级是一个不可逆的过程，一旦升级为重量级锁，就无法再降级。

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六、优化建议

• 避免锁竞争：合理设计业务逻辑，减少锁粒度
• 使用更细粒度锁：如ReentrantLock替代synchronized
• 禁用偏向锁（适用于高并发场景）：

  -XX:-UseBiasedLocking
  

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如需进一步分析特定场景下的锁状态，可提供具体代码片段或JVM日志。