Java 鎖升級機制詳解

引言

最近有個三年左右的兄弟面試java 被問到這樣一道經典的八股文面試題： 你講講java里面的鎖升級？ 他感覺回答的不是很好，然后回去找資料學習了一波，然后下面是他輸出的文章，希望對找工作的其他朋友也有些幫助。

1. 概述

Java 的鎖升級機制是 JVM 在 JDK 1.6 后引入的重要優化策略，目的是在多線程環境下平衡 線程安全 與 性能開銷。通過動態調整鎖的復雜度，JVM 根據競爭強度逐步升級鎖的狀態，避免在低競爭場景下使用高成本的重量級鎖。

2. 鎖類型及特點

3. 鎖升級的過程

鎖升級路徑為：無鎖 → 偏向鎖 → 輕量級鎖 → 重量級鎖，且 不可逆（只能升級，不能降級）。

3.1 無鎖 → 偏向鎖

• 觸發條件：第一個線程訪問同步代碼塊時。
• 過程：
  1. JVM 通過 CAS 操作將對象頭的 Mark Word 標記為偏向鎖。
  2. 記錄當前線程 ID 和偏向時間戳。
  3. 后續同一線程再次訪問時，直接通過比對線程 ID 獲取鎖（無需 CAS 操作）。

3.2 偏向鎖 → 輕量級鎖

• 觸發條件：第二個線程嘗試獲取同一鎖（出現競爭）。
• 過程：
  1. 偏向鎖失效，JVM 撤銷偏向鎖（可能觸發 STW，Stop-The-World）。
  2. 線程通過自旋（Spin）和 CAS 操作嘗試獲取鎖。
  3. 若自旋成功，則升級為輕量級鎖；否則繼續自旋或升級為重量級鎖。

3.3 輕量級鎖 → 重量級鎖

• 觸發條件：
  • 自旋次數超過閾值（默認 10 次，可通過 -XX:PreBlockSpin 調整）。
  • 多個線程同時競爭鎖（如第三個線程加入競爭）。
• 過程：
  1. JVM 將鎖升級為重量級鎖，對象頭指向監視器（Monitor）。
  2. 線程進入操作系統內核態的阻塞隊列，等待調度器喚醒。
  3. 未獲取鎖的線程通過 ObjectMonitor 等待喚醒。

4. 鎖升級的優缺點

4.1 優點

1. 減少無競爭場景的開銷：偏向鎖和輕量級鎖避免了頻繁的 CAS 和上下文切換。
2. 動態適配競爭強度：在低競爭時保持高性能，在高競爭時保證線程安全。

4.2 缺點

1. 偏向鎖撤銷開銷：當其他線程競爭時，撤銷偏向鎖會導致 STW，影響性能。
2. 重量級鎖的高開銷：在高競爭場景下，頻繁的線程阻塞/喚醒會顯著降低性能。

5. 鎖升級的優化策略

5.1 減少鎖持有時間

• 優化方向：縮短同步代碼塊的執行時間，降低鎖的競爭概率。
• 示例：

  // 不推薦：鎖持有時間過長
  synchronized (lock) {
      // 復雜計算或 IO 操作
  }
  
  // 推薦：僅在關鍵代碼塊加鎖
  int result = doSomeComputation(); // 非同步操作
  synchronized (lock) {
      sharedVariable = result;
  }
  

5.2 使用分段鎖（Segment Locking）

• 優化方向：將一個大鎖拆分為多個小鎖，減少鎖的競爭范圍。
• 示例：ConcurrentHashMap 使用分段鎖（JDK 8 后改為 CAS + synchronized）。

5.3 禁用偏向鎖

• 適用場景：頻繁切換線程的場景（如高并發服務）。
• JVM 參數：

  -XX:-UseBiasedLocking  # 禁用偏向鎖
  

5.4 調整自旋次數

• 適用場景：輕量級鎖的自旋可能因 CPU 空閑而浪費資源。
• JVM 參數：

  -XX:PreBlockSpin=5  # 設置自旋次數為 5
  

6. 代碼示例

public class LockUpgradeExample {
    private final Object lock = new Object();

    public void performTask() {
        synchronized (lock) {
            // 同步代碼塊
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        LockUpgradeExample example = new LockUpgradeExample();
        Thread t1 = new Thread(example::performTask);
        Thread t2 = new Thread(example::performTask);

        t1.start(); // 初始為偏向鎖（t1）
        t2.start(); // 觸發偏向鎖撤銷，升級為輕量級鎖
    }
}

7. 關鍵 JVM 參數

8. 總結

• 鎖升級是 JVM 自動管理的機制，開發者無需手動干預，但理解其原理有助于優化并發性能。
• 偏向鎖適合單線程場景，輕量級鎖適合低競爭場景，重量級鎖適合高競爭場景。
• 鎖升級不可逆，一旦升級到重量級鎖，后續操作將始終使用重量級鎖。

通過合理設計代碼（如減少鎖粒度、避免過早膨脹到重量級鎖），可以最大化 Java 的并發性能。