Java 並發編程：Synchronized 底層優化機制深度解析

Java 並發編程：Synchronized 底層優化機制深度解析

synchronized 通過對象頭的監視器鎖實現，底層依賴 OS 的 Mutex Lock，用戶態/核心態切換開銷大，稱為「重量級鎖」。JDK 1.6 引入「輕量級鎖」和「偏向鎖」優化。

鎖狀態與對象頭標記 (32位 JVM)

輕量級鎖

適用場景：線程交替執行同步塊，無競爭。

加鎖流程

1. 進入同步塊，對象無鎖 → 當前線程棧幀建立「鎖記錄」，複製對象 Mark Word 為「Displaced Mark Word」。
2. CAS 更新對象 Mark Word 指向鎖記錄，成功則獲得鎖，標記位設為 00。
3. CAS 失敗 → 檢查 Mark Word 是否指向當前線程棧幀（重入），否則升級為重量級鎖，標記位 10，其他線程阻塞並自旋嘗試獲取。

解鎖流程

1. CAS 將 Displaced Mark Word 替換回對象 Mark Word。
2. 成功 → 同步結束。失敗 → 鎖已膨脹，喚醒被掛起線程。

偏向鎖

適用場景：無多線程競爭，同一線程反覆進入同步塊。消除 CAS 開銷，僅需一次 CAS 設置 ThreadID。

獲取流程

1. 檢查 Mark Word 偏向鎖標識為 1、鎖標記 01 → 可偏向狀態。
2. ThreadID 指向當前線程 → 直接進入同步塊。
3. 否則 CAS 競爭鎖，成功設 ThreadID，失敗表示有競爭 → 撤銷偏向鎖，升級輕量級鎖。

撤銷機制

遇其他線程競爭時，在全局安全點掛起持有線程，恢復到無鎖或輕量級鎖狀態。線程不會主動釋放偏向鎖。

三種鎖轉換關係

無鎖 → 偏向鎖 → 輕量級鎖 → 重量級鎖（單向升級，不降級）

其他 JVM 優化

• 適應性自旋：自旋成功增加次數，失敗減少次數，避免 CPU 空轉。
• 鎖粗化：連續加鎖/解鎖合併為一次大範圍鎖（如 StringBuilder 連續 append）。
• 鎖消除：逃逸分析發現數據不逃逸出線程，判定為線程安全，自動刪除鎖（如方法內部 StringBuffer）。

鎖選型對比表

激烈競爭下偏向鎖反而降低效能，可用 -XX:-UseBiasedLocking 禁用。