一、前言

在 Java 并发编程中，synchronized 是最常用的关键字。
JDK1.6 之前，synchronized 被认为是重量级锁，性能开销较大；而在 JDK1.6 之后，HotSpot 虚拟机引入了 锁优化机制，包括 锁升级（Lock Escalation/Lock Inflation） 和 锁消除、锁粗化 等，从而大幅度提升了 synchronized 的性能。

其中，锁升级机制 是理解 JVM 同步优化的核心。

二、锁的几种状态

在 HotSpot JVM 中，锁一共有四种状态，它们会随着竞争情况逐步升级：

1. 无锁（No Lock）

   • 对象没有被任何线程加锁，正常访问。

2. 偏向锁（Biased Lock）

   • 线程第一次获得锁时，会在对象头记录当前线程的 ID。

   • 后续该线程再进入同步块时，不需要进行 CAS 操作，直接判断对象头是否偏向自己，从而几乎零成本加锁。

3. 轻量级锁（Lightweight Lock）

   • 当另外一个线程尝试获取锁时，会通过 CAS 自旋 竞争。

   • 如果自旋成功，则升级为轻量级锁。

   • 适用于 线程交替执行 的情况。

4. 重量级锁（Heavyweight Lock）

   • 当竞争激烈时，轻量级锁会膨胀为重量级锁。

   • 线程会被阻塞，进入等待队列，由操作系统调度。

   • 性能较差，但保证了线程安全。

三、锁升级的过程

锁升级是 不可逆的，即：

• 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁

• 一旦升级，不会再降级。

1. 偏向锁 → 轻量级锁

• 当一个对象已经被线程 A 持有（偏向 A），线程 B 也来尝试获取锁时，会触发升级。

• 偏向锁会撤销，进入轻量级锁竞争。

2. 轻量级锁 → 重量级锁

• 如果轻量级锁的 CAS 自旋失败（比如同时多个线程激烈竞争），JVM 会将锁膨胀为重量级锁。

• 此时，未抢到锁的线程会被阻塞，等待唤醒。

四、对象头与 Mark Word

Java 对象头里存储了锁的状态，主要依赖于 Mark Word（标记字段）。

• 无锁：Mark Word 里存放对象的哈希值、GC 分代年龄等信息。

• 偏向锁：Mark Word 里存放线程 ID、偏向时间戳。

• 轻量级锁：Mark Word 存放指向线程栈中 Lock Record 的指针。

• 重量级锁：Mark Word 指向 Monitor 对象（OS 级别的互斥量）。

五、直观比喻

• 偏向锁：宿舍门只贴了一张“专属你”的便利贴，你回来不用再刷卡。

• 轻量级锁：如果室友也想进，就大家在门口“试试钥匙”，谁先插进去谁进。

• 重量级锁：如果人太多，大家只能排队，宿管阿姨（OS）来统一调度。

六、为什么要锁升级？

1. 性能优化

   • 偏向锁：单线程反复进入同步块时最快。

   • 轻量级锁：短时间的少量竞争，可以避免操作系统调度开销。

   • 重量级锁：多线程激烈竞争时保证安全。

2. 适配不同场景

   • 单线程：偏向锁最佳。

   • 多线程但冲突少：轻量级锁更高效。

   • 高并发竞争：重量级锁稳定安全。

七、总结

1. 锁的状态：无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁。

2. 升级是 单向的，不可逆。

3. synchronized 在 JDK1.6 之后性能大幅提升，已经可以在很多场景媲美 ReentrantLock。

4. 了解锁升级，有助于理解 Java 并发优化原理，避免误以为 synchronized 总是低效。