前言

首先，synchronized 是什麼？我們需要明確的給個定義——同步鎖，沒錯，它就是把鎖。

可以用來幹嘛？鎖，當然當然是用於線程間的同步，以及保護臨界區內的資源。我們知道，鎖是個非常籠統的概念，像生活中有指紋鎖、密碼鎖等等多個種類，那 synchronized 代表的鎖具體是把什麼鎖呢？

答案是—— Java 內置鎖。在 Java 中，每個對象中都隱藏着一把鎖，而 synchronized 關鍵字就是激活這把隱式鎖的把手（開關）。

先來簡單了解一下 synchronized，我們知道其共有 3 種使用方式：

• 修飾靜態方法：鎖住當前 class，作用於該 class 的所有實例
• 修飾非靜態方法：只會鎖住當前 class 的實例
• 修飾代碼塊：該方法接受一個對象作為參數，鎖住的即該對象

使用方法就不在這裡贅述，可自行搜索其詳細的用法，這不是本篇文章所關心的內容。

知道了 synchronized 的概念，回頭來看標題，它說的鎖升級到底是個啥？對於不太熟悉鎖升級的人來說，可能會想：

所謂鎖，不就是啪一下鎖上就完事了嗎？升級是個什麼玩意？這跟打撲克牌也沒關係啊。

對於熟悉的人來說，可能會想：

不就是「無鎖 ==> 偏向鎖 ==> 輕量級鎖 ==> 重量級鎖 」嗎？

你可能在很多地方看到過上面描述的鎖升級過程，也能直接背下來。但你真的知道無鎖、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖到底代表着什麼嗎？這些鎖存儲在哪裡？以及什麼情況下會使得鎖向下一個 level 升級？

想知道答案，我們似乎必須先搞清楚 Java 內置鎖，其內部結構是啥樣的？內置鎖又存放在哪裡？

答案在開篇提到過——在 Java 對象中。

那麼現在的問題就從「內置鎖結構是啥」變成了「Java 對象長啥樣」。

對象結構

從宏觀上看，Java 對象的結構很簡單，分為三部分：

從微觀上看，各個部分都還可以深入展開，詳見下圖：

接下來分別深入討論一下這三部分。

對象頭

從腦圖中可以看出，其由 Mark Word、Class Pointer、數組長度三個字段組成。簡單來說：

• Mark Word：主要用於存儲自身運行時數據
• Class Pointer：是指針，指向方法區中該 class 的對象，JVM 通過此字段來判斷當前對象是哪個類的實例
• 數組長度：當且僅當對象是數組時才會有該字段

Class Pointer 和數組長度沒什麼好說的，接下來重點聊聊 Mark Word。

Mark Word 所代表的「運行時數據」主要用來表示當前 Java 對象的線程鎖狀態以及 GC 的標誌。而線程鎖狀態分別就是無鎖、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。

所以前文提到的這 4 個狀態，其實就是 Java 內置鎖的不同狀態。

在 JDK 1.6 之前，內置鎖都是重量級鎖，效率低下。效率低下表現在

而在 JDK 1.6 之後為了提高 synchronized 的效率，才引入了偏向鎖、輕量級鎖。

隨着鎖競爭逐漸激烈，其狀態會按照「無鎖 ==> 偏向鎖 ==> 輕量級鎖 ==> 重量級鎖 」這個方向逐漸升級，並且不可逆，只能進行鎖升級，而無法進行鎖降級。

接下來我們思考一個問題，既然 Mark Word 可以表示 4 種不同的鎖狀態，其內部到底是怎麼區分的呢？（由於目前主流的 JVM 都是 64 位，所以我們只討論 64 位的 Mark Word）接下來我們通過圖片直觀的感受一下。

（1）無鎖

這個可以理解為單線程很快樂的運行，沒有其他的線程來和其競爭。

（2）偏向鎖

首先，什麼叫偏向鎖？舉個例子，一段同步的代碼，一直只被線程 A 訪問，既然沒有其他的線程來競爭，每次都要獲取鎖豈不是浪費資源？所以這種情況下線程 A 就會自動進入偏向鎖的狀態。

後續線程 A 再次訪問同步代碼時，不需要做任何的 check，直接執行（對該線程的「偏愛」），這樣降低了獲取鎖的代價，提升了效率。

看到這裡，你會發現無鎖、偏向鎖的 lock 標誌位是一樣的，即都是 01，這是因為無鎖、偏向鎖是靠字段 biased_lock 來區分的，0 代表沒有使用偏向鎖，1 代表啟用了偏向鎖。為什麼要這麼搞？你可以理解為無鎖、偏向鎖在本質上都可以理解為無鎖（參考上面提到的線程 A 的狀態），所以 lock 的標誌位都是 01 是沒毛病的。

PS：這裡的線程 ID 是持有當前對象偏向鎖的線程

（3）輕量級鎖

但是，一旦有第二個線程參與競爭，就會立即膨脹為輕量級鎖。企圖搶佔的線程一開始會使用自旋：

的方式去嘗試獲取鎖。如果循環幾次，其他的線程釋放了鎖，就不需要進行用戶態到內核態的切換。雖然如此，但自旋需要佔用很多 CPU 的資源（自行理解汽車空檔瘋狂踩油門）。如果另一個線程 一直不釋放鎖，難道它就在這一直空轉下去嗎？

當然不可能，JDK 1.7 之前是普通自旋，會設定一個最大的自旋次數，默認是 10 次，超過這個閾值就停止自旋。JDK 1.7 之後，引入了適應性自旋。簡單來說就是：這次自旋獲取到鎖了，自旋的次數就會增加；這次自旋沒拿到鎖，自旋的次數就會減少。

（4）重量級鎖

上面提到，試圖搶佔的線程自旋達到閾值，就會停止自旋，那麼此時鎖就會膨脹成重量級鎖。當其膨脹成重量級鎖後，其他競爭的線程進來就不會自旋了，而是直接阻塞等待，並且 Mark Word 中的內容會變成一個監視器（monitor）對象，用來統一管理排隊的線程。

這個 monitor 對象，每個對象都會關聯一個。monitor 對象本質上是一個同步機制，保證了同時只有一個線程能夠進入臨界區，在 HotSpot 的虛擬機中，是由 C++ 類 ObjectMonitor 實現的。

那麼 monitor 對象具體是如何來管理線程的？接下來我們看幾個 ObjectMonitor 類關鍵的屬性：

• ContentionQueue：是個隊列，所有競爭鎖的線程都會先進入這個隊列中，可以理解為線程的統一入口，進入的線程會阻塞。
• EntryList：ContentionQueue 中有資格的線程會被移動到這裡，相當於進行一輪初篩，進入的線程會阻塞。
• Owner：擁有當前 monitor 對象的線程，即 —— 持有鎖的那個線程。
• OnDeck：與 Owner 線程進行競爭的線程，同一時刻只會有一個 OnDeck 線程在競爭。
• WaitSet：當 Owner 線程調用 wait() 方法被阻塞之後，會被放到這裡。當其被喚醒之後，會重新進入 EntryList 當中，這個集合的線程都會阻塞。
• Count：用於實現可重入鎖，synchronized 是可重入的。

對象體

對象體包含了當前對象的字段和值，在業務中u l是較為核心的部分。

對齊位元組

就是單純用於填充的位元組，沒有其他的業務含義。其目的是為了保證對象所佔用的內存大小為 8 的倍數，因為HotSpot VM 的內存管理要求對象的起始地址必須是 8 的倍數。

鎖升級

了解完 4 種鎖狀態之後，我們就可以整體的來看一下鎖升級的過程了。

線程 A 進入 synchronized 開始搶鎖，JVM 會判斷當前是否是偏向鎖的狀態，如果是就會根據 Mark Word 中存儲的線程 ID 來判斷，當前線程 A 是否就是持有偏向鎖的線程。如果是，則忽略 check，線程 A 直接執行臨界區內的代碼。

但如果 Mark Word 里的線程不是線程 A，就會通過自旋嘗試獲取鎖，如果獲取到了，就將 Mark Word 中的線程 ID 改為自己的；如果競爭失敗，就會立馬撤銷偏向鎖，膨脹為輕量級鎖。

後續的競爭線程都會通過自旋來嘗試獲取鎖，如果自旋成功那麼鎖的狀態仍然是輕量級鎖。然而如果競爭失敗，鎖會膨脹為重量級鎖，後續等待的競爭的線程都會被阻塞。

EOF

其實偏向鎖還有一個撤銷的過程，也是有代價的，但相比於偏向鎖帶好的好處，是能夠接受的。但我們這裡重點的還是關注鎖升級的具體邏輯和細節，關於鎖升級的過程就聊到這裡。

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