java 中多线程锁的升级原理是什么？

锁升级指synchronized在JVM中从无锁→偏向锁→轻量级锁→重量级锁的自动演变过程。无锁时无竞争；偏向锁让首个线程独占，记录线程ID避免重复加锁；当有竞争时升级为轻量级锁，通过CAS和自旋尝试获取；若自旋失败或竞争加剧，则膨胀为重量级锁，依赖操作系统Mutex实现阻塞同步。该机制由JVM自动控制，旨在平衡性能与开销，理解其原理有助于优化同步代码，如减小锁范围、避免长时持锁，使锁尽可能停留在低开销状态。

Java 中多线程锁的升级原理主要指的是 synchronized 锁在 JVM 层面的优化机制，也就是所谓的“锁升级”过程。这个机制是为了在不同竞争情况下平衡性能和安全性，减少线程阻塞带来的开销。

锁升级的基本流程

在 HotSpot 虚拟机中，synchronized 使用的锁会根据线程对对象的竞争程度，从无锁状态逐步升级为以下几种状态：

• 无锁状态：对象刚创建时，没有线程访问，处于无锁状态。
• 偏向锁（Biased Locking）：第一个访问该对象的线程会“偏向”它，无需执行 CAS 操作，直接认为自己拥有锁。
• 轻量级锁（Lightweight Locking）：当有第二个线程尝试获取锁时，偏向锁升级为轻量级锁，使用 CAS 尝试获取锁，避免立即进入内核态阻塞。
• 重量级锁（Heavyweight Locking）：当多个线程竞争激烈，自旋一定次数后仍未成功，就会膨胀为重量级锁，依赖操作系统互斥量（Mutex）实现线程阻塞。

偏向锁：减少单线程重入开销

偏向锁的核心思想是：如果一个锁被同一个线程多次获取，就让它“自动获得”，不需要同步操作。

当一个线程第一次获取偏向锁时，JVM 会在对象头中记录该线程的 ID。之后这个线程再进入同步块时，只需检查对象头是否指向自己，是则直接执行，无需加锁操作。

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一旦有另一个线程尝试获取该锁，偏向锁就会被撤销，并升级为轻量级锁。

轻量级锁：通过自旋避免阻塞

轻量级锁利用 CAS（Compare and Swap）操作将对象头中的 Mark Word 替换为指向线程栈中锁记录的指针。

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如果 CAS 成功，说明当前线程获取了锁；如果失败，说明存在竞争，此时线程会进行一定次数的自旋（循环尝试），期望在短时间内持有锁的线程释放。

轻量级锁适用于线程交替执行、竞争不激烈的场景，避免了系统调用带来的上下文切换开销。

重量级锁：真正的互斥同步

当自旋超过一定次数（由 JVM 自适应决定）或等待线程较多时，JVM 会将锁膨胀为重量级锁。

此时，未获取到锁的线程会被挂起（阻塞），进入操作系统层面的等待队列，需要通过 Mutex 来调度唤醒。

重量级锁开销大，但能保证在高并发下的正确性和公平性。

基本上就这些。锁升级的过程是 JVM 自动完成的，开发者无法手动干预，但理解其原理有助于写出更高效的并发代码。比如避免长时间持有锁、减少同步块范围等，都可以帮助锁停留在更轻量的级别。

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