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sychronized 的自旋锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁，分别介绍和联系

news 2026/7/12 3:06:00

在 Java 中，synchronized关键字底层的锁机制在 JDK 1.6 之后经历了重大的优化，引入了“锁升级”（Lock Escalation）的概念。你提到的这四种锁并不是完全独立的四种机制，而是synchronized在不同竞争激烈程度下，为了平衡性能开销而采取的不同状态或策略。

这里需要先澄清一个核心概念：偏向锁、轻量级锁、重量级锁是对象头（Mark Word）中记录的锁状态，而自旋锁是一种在获取锁失败时，为了避免线程立即阻塞而采用的优化技术。

以下是它们各自的详细介绍以及相互之间的升级联系：

一、核心概念分别介绍

1. 偏向锁 (Biased Lock)

核心思想：假设一段同步代码在大多数情况下不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一个线程多次获得。
工作原理：当线程第一次访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧的锁记录中存储该线程的 ID 。以后该线程再进入和退出同步块时，只需检查对象头的线程 ID 是否一致，无需再进行任何底层的 CAS (Compare-And-Swap) 同步操作。
适用场景：极低并发场景，或者基本上只有一个线程在跑同步块。
补充说明：由于维护偏向锁在多线程竞争时撤销的成本较高，JDK 15 之后已经默认废弃了偏向锁。

2. 轻量级锁 (Lightweight Lock)

核心思想：假设多线程会交替执行同步块（即有多个线程，但刚好错开时间，没有发生真正的同时刻碰撞）。
工作原理：当偏向锁被其他线程访问时，偏向模式被破坏，锁会升级为轻量级锁。线程在自己的栈帧中创建锁记录（Lock Record），然后通过 CAS 操作尝试将对象的 Mark Word 替换为指向自己锁记录的指针。如果成功，则获取锁。
适用场景：线程交替执行同步块，存在极短时间的微弱竞争。

3. 自旋锁 (Spin Lock) / 适应性自旋

核心思想：线程的阻塞和唤醒需要 CPU 从用户态切换到内核态，开销非常大。自旋锁认为：“锁被占用的时间通常很短，我不急着去睡觉（阻塞），我先在门外转几个圈（空循环）等一下” 。
工作原理：在轻量级锁竞争失败时，线程不会立即挂起，而是执行一个空的for循环（自旋）。如果在自旋期间锁被释放了，该线程就能直接拿到锁，从而避免了昂贵的上下文切换。
适应性自旋：JDK 1.6 引入，自旋的次数不再固定。如果上次自旋成功拿到了锁，这次就多转几圈；如果上次没拿到，这次就少转甚至不转，直接升级。

4. 重量级锁 (Heavyweight Lock)

核心思想：最传统的锁，用于应对激烈的多线程碰撞。
工作原理：依赖于操作系统的Mutex Lock（互斥量）来实现。当锁升级为重量级锁后，所有没有拿到锁的线程都会被真正地挂起（阻塞，进入等待队列），放弃 CPU 调度，直到持有锁的线程释放锁后将它们唤醒。
适用场景：高并发、代码块执行时间较长、锁竞争非常激烈的场景。

二、它们之间的联系（锁膨胀/升级过程）

这四者是一个动态演进、单向升级的过程，旨在让系统在不同并发压力下都保持最优性能。整个升级链路如下：

无锁状态 -> 偏向锁当对象刚被创建，且第一个线程进入synchronized代码块时，对象头的锁标志位变为偏向锁，并记录下该线程的 ID 。此时没有任何额外的同步开销。
偏向锁 -> 轻量级锁当第二个线程尝试获取该对象的锁时，发现偏向锁的线程 ID 不是自己。此时偏向锁会被撤销（Revoke），并在全局安全点（Safe Point）将锁状态升级为轻量级锁。这两个线程开始通过 CAS 操作竞争锁。
轻量级锁 + 自旋锁的结合当轻量级锁竞争出现时（比如线程 A 还在执行，线程 B 进来了），线程 B 发现通过 CAS 拿不到锁。此时线程 B不会立刻升级为重量级锁并阻塞，而是启动自旋锁机制，在 CPU 上空转等待一小段时间。
轻量级锁 -> 重量级锁如果线程 B 自旋超过了规定的次数，或者在 B 自旋的过程中，又来了一个线程 C 参与竞争，这说明当前的竞争非常激烈。此时，自旋不再有意义（只会白白浪费 CPU 资源），锁会发生最后一次膨胀，升级为重量级锁。此时，除了拿到锁的线程外，其余所有竞争线程都会被操作系统放入阻塞队列，进入睡眠状态。