# synchronized锁升级过程详解
## 标题
synchronized锁升级过程：从偏向锁到重量级锁的演变
## 答案
在Java并发编程中，synchronized关键字是常用的同步机制之一，用于控制多个线程对共享资源的访问，以保证数据的一致性和线程安全，随着Java版本的更新，synchronized锁的实现机制也经历了多次优化，以提高并发性能，synchronized锁的升级过程是一个重要的优化手段，它根据线程竞争的情况自动调整锁的状态，以减少不必要的开销，本文将详细解析synchronized锁的升级过程，包括偏向锁、轻量级锁和重量级锁三种状态及其转换机制。
## synchronized锁升级过程
### 1. 无锁状态
在对象未被任何线程锁定之前，它处于无锁状态，所有访问该对象的线程都不需要进行同步操作，可以直接访问对象的资源，无锁状态是锁的初始状态，也是性能最高的状态，因为它不涉及任何同步机制的开销。
### 2. 偏向锁状态
当第一个线程访问某个对象并获取锁时，JVM会将该锁设置为偏向锁，偏向锁的目的是为了优化只有一个线程访问同步资源的场景，通过减少锁的加锁和解锁操作来提高性能，在偏向锁状态下，JVM会在对象的Mark Word（对象头的一部分，用于存储锁状态及线程信息）中记录当前线程的ID，当该线程再次访问该对象时，只需检查Mark Word中的线程ID是否与当前线程ID一致，如果一致，则无需进行任何同步操作，直接进入同步代码块。
当有其他线程尝试获取已被偏向锁锁定的对象时，偏向锁会失效，并尝试升级为轻量级锁。
### 3. 轻量级锁状态
当偏向锁失效或第二个线程尝试获取锁时，JVM会尝试将锁升级为轻量级锁，轻量级锁适用于短暂的、低竞争的同步场景，在轻量级锁状态下，JVM会在当前线程的栈帧中创建一个锁记录（Lock Record），并将锁对象的Mark Word替换为指向锁记录的指针，锁记录中存储了当前线程的ID和一个指向原Mark Word副本的指针。
接下来，JVM会使用CAS（Compare and Set）操作尝试将锁对象的Mark Word设置为指向锁记录的指针，如果CAS操作成功，表示线程成功获取了轻量级锁，并继续执行同步代码块，如果CAS操作失败，说明有其他线程已经持有锁，此时线程会进入自旋状态，不断尝试通过CAS操作获取锁。
自旋操作是一种避免线程挂起和切换的开销的同步机制，如果自旋次数超过一定阈值（默认是10次，但JDK 1.6之后引入了自适应自旋，JVM会根据实际情况自动调整自旋次数），或者系统检测到多个线程长期竞争同一锁，轻量级锁会升级为重量级锁。
### 4. 重量级锁状态
当轻量级锁升级为重量级锁时，JVM会使用操作系统级别的互斥量（Mutex）来实现锁的释放和获取，在重量级锁状态下，未获得锁的线程会被阻塞，并放入等待队列中，等待持有锁的线程释放锁后，再由操作系统唤醒。
重量级锁提供了严格的互斥保证，适用于高竞争或锁占用时间较长的场景，由于重量级锁涉及操作系统级别的资源申请和线程调度，因此其性能开销较大。
## 锁升级的原因
synchronized锁的升级过程是为了提高多线程环境下的性能和吞吐量，减少同步操作的开销，并尽量避免线程切换的开销，锁升级的原因包括：
1. **减少无竞争情况下的同步操作开销**：偏向锁通过记录线程ID来避免对锁的加锁和解锁操作，提高了单线程访问同步代码块时的性能。
2. **减少线程切换的开销**：轻量级锁使用CAS操作和自旋等待来尝试获取锁，避免了线程挂起和切换的开销。
3. **降低内存消耗**：轻量级锁使用对象头中的一部分位来存储线程ID和锁标记，不需要额外的内存存储锁的状态。
4. **提高系统吞吐量**：锁的升级过程可以使多个线程在无竞争情况下快速获取锁，避免了线程阻塞和等待的开销，从而提高了系统的吞吐量。
## 总结
synchronized锁的升级过程是一个从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的逐步升级过程，这个过程根据线程竞争的情况自动调整锁的状态，以减少不必要的开销并提高性能，了解synchronized锁的升级过程对于深入理解Java并发编程和优化多线程程序的性能具有重要意义，在实际开发中，我们应该根据具体的应用场景和性能需求来选择合适的同步机制，以达到最优的性能表现。
