Java 中轻量级锁在 CAS 竞争成功后的状态变化

轻晨同学_2760

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2026-06-25

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cas竞争成功指首个线程在无锁态下原子地将自身lock record地址写入对象头,使mark word低3位由01变为00,进入轻量级锁定状态,全程无操作系统介入。

java 中轻量级锁在 cas 竞争成功后的状态变化

Java 中轻量级锁在 CAS 竞争成功后,会从“无锁”状态(即对象头 Mark Word 指向偏向锁或无锁标记)转变为“轻量级锁定”状态,核心是将当前线程的栈帧中锁记录(Lock Record)的地址通过 CAS 原子操作写入对象头的 Mark Word。

轻量级锁加锁时的 CAS 成功意味着什么

CAS 竞争成功不是指多个线程抢同一个锁成功,而是指当前线程首次尝试获取锁时,对象处于无锁状态(Mark Word 未被任何线程锁定),且该线程成功用 CAS 将自己的锁记录地址替换进对象头。

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  • 此时对象头 Mark Word 的低 3 位从 01(无锁)变为 00(轻量级锁),高 32/64 位存的是指向当前线程栈中 Lock Record 的指针
  • Lock Record 是线程私有栈帧里的一个结构,包含 Displaced Mark Word(原对象头备份)和 owner 指针等字段
  • 这个过程不涉及操作系统互斥量,也不挂起线程,纯用户态原子操作

状态变化的关键细节

轻量级锁本身没有“竞争成功”的状态标识,它的状态变化只发生在加锁(CAS 写入)和解锁(CAS 恢复)两个环节:

  • 加锁 CAS 成功 → 对象头进入轻量级锁定态,Mark Word 指向栈中 Lock Record
  • 解锁时,线程用 CAS 将 Displaced Mark Word 写回对象头;若成功,锁释放,恢复为无锁态(01)
  • 若解锁时发现对象头已被其他线程修改(比如已膨胀为重量级锁),则协助升级并清理自己的 Lock Record

为什么说“CAS 竞争成功”容易误解

轻量级锁设计初衷是无竞争场景优化,它不处理真正的多线程竞争:

  • 当第二个线程尝试获取同一把轻量级锁时,CAS 会失败(因为对象头已被第一个线程改写)
  • 此时 JVM 不会让其自旋等待,而是直接触发锁膨胀:将对象头升级为重量级锁(Mark Word 设置为指向 Monitor 的指针,低 3 位变为 10)
  • 所以所谓“CAS 竞争成功”,实际仅适用于第一个获取锁的线程;后续线程面对的是锁膨胀,而非轻量级锁下的重试逻辑

轻量级锁状态流转图示(简化)

无锁(01)→ CAS 加锁成功 → 轻量级锁定(00,指向 Lock Record)→ CAS 解锁成功 → 无锁(01)
↓ CAS 解锁失败(对象头被改)
→ 协助膨胀为重量级锁(10)

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