Java 中 synchronized 锁升级过程底层原理怎么看

大雪君_2125

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2026-10-20

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原创

synchronized锁升级本质是mark word的8字节位操作与monitor状态协同:无锁→偏向锁→轻量级锁→重量级锁,每次升级修改mark word并按新语义解释,monitor在重量级锁时被创建并管理_owner、_count和_entrylist。

java 中 synchronized 锁升级过程底层原理怎么看

要看 synchronized 锁升级的底层原理,核心就盯住两件事:对象头里的 Mark Word 怎么变,以及线程在竞争时怎么跟 Monitor 打交道。它不是抽象概念,而是内存里实实在在的位操作和状态跳转。

锁状态全靠 Mark Word 的 8 字节编码

Java 对象在堆中布局包含对象头,其中 Mark Word 占 8 字节(64 位 JVM + 压缩指针)。这 8 字节复用严重——同一块内存,不同状态下存不同东西:

  • 无锁状态:存哈希码、分代年龄、锁标志位(01)
  • 偏向锁:存线程 ID、Epoch、偏向锁标识(标志位仍是 01,但第 3 位为 1)
  • 轻量级锁:存指向当前线程栈帧中“锁记录(Lock Record)”的指针,标志位变成 00
  • 重量级锁:存指向 C++ 实现的 ObjectMonitor 对象的指针,标志位变成 10

每次锁升级,本质就是 JVM 修改这 8 字节的值,并按新语义解释它。没有新增字段,也不改对象大小,纯靠位重定义实现零开销切换。

Monitor 是锁行为的执行体

Monitor 不是 Java 类,是 HotSpot 用 C++ 实现的同步原语(ObjectMonitor),每个对象关联一个。它有三个关键字段:

  • _owner:记录当前持有锁的线程指针
  • _count:可重入计数器(进一次 +1,出一次 -1)
  • _entryList:竞争失败、被挂起的线程队列(Blocked 状态)

当锁升级到重量级,Mark Word 就写入指向这个 Monitor 的指针;后续所有加锁/解锁/等待/唤醒操作,都通过操作 Monitor 的这三个字段完成。轻量级锁阶段 Monitor 还没被创建,只有真要阻塞时才懒加载。

JavaStoryDevelop
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升级不是主动“选”,而是被动“退让”

锁升级不是 JVM 预判后提前升,而是一次次竞争失败触发的退让过程:

  • 偏向锁撤销:另一个线程来抢锁 → JVM 在安全点暂停所有线程 → 清空偏向信息 → 升为轻量级锁
  • 轻量级锁膨胀:自旋一定次数(默认 10 次)仍抢不到 → 放弃 CPU 空转 → 创建 Monitor → 把自己挂进 _entryList → Mark Word 改写为 Monitor 指针

整个过程不可逆。一旦升级到重量级,即使之后长期只有单线程访问,也不会降回轻量级或偏向锁——避免反复判断和状态清理的开销。

字节码是入口,monitorenter 是起点

你写的 synchronized(obj) { ... },编译后变成:

  • 字节码指令 monitorenter:尝试获取 obj 关联的 monitor 所有权
  • 字节码指令 monitorexit:释放所有权

JVM 执行 monitorenter 时,会根据 Mark Word 当前值决定走哪条路径:检查线程 ID(偏向)、CAS 替换锁记录(轻量)、还是调用操作系统 mutex(重量)。所有分支最终都汇聚到 Monitor 的状态机上。

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