在Java虚拟机中，synchronized关键字的实现依赖对象头中的Mark Word结构，JVM为了降低锁操作的开销，设计了偏向锁、轻量级锁、重量级锁三种状态，并且会根据竞争情况自动完成锁升级，这也是synchronized性能优化的重要体现。
三种锁的基本概念
偏向锁
偏向锁是JVM锁升级的第一阶段，它的核心思想是：如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，后续该线程再次获取锁时不需要进行任何同步操作，连CAS操作都不需要执行，直接判断线程ID是否匹配即可。
偏向锁适合只有一个线程访问同步块的场景，默认是开启的，可以通过JVM参数-XX:-UseBiasedLocking关闭偏向锁，关闭后程序默认直接进入轻量级锁状态。
轻量级锁
当偏向锁被另一个线程尝试获取时，偏向锁就会升级为轻量级锁。轻量级锁的核心思想是：在多线程交替执行同步块的场景下，避免使用操作系统层面的互斥量，而是通过CAS操作尝试获取锁。
轻量级锁的获取过程会在线程栈中创建锁记录，将对象头的Mark Word复制到锁记录中，然后尝试用CAS将对象头的Mark Word替换为指向锁记录的指针，如果成功则获取锁，失败则说明存在竞争，会膨胀为重量级锁。
重量级锁
重量级锁是锁升级的最终状态，依赖操作系统的互斥量（Mutex）实现，线程获取不到锁时会进入阻塞状态，等待操作系统调度唤醒。重量级锁的开销最大，因为涉及用户态和内核态的切换。
当轻量级锁CAS竞争失败，或者自旋次数超过阈值时，轻量级锁就会膨胀为重量级锁，此时对象的Mark Word会指向重量级锁的指针，后续所有竞争锁的线程都会直接阻塞。
synchronized锁升级的完整过程
synchronized的锁升级是单向的，只能从低级别向高级别升级，不能降级，完整流程如下：
- 初始状态下，对象头中的Mark Word处于无锁状态。
- 当第一个线程访问同步块并获取锁时，JVM会将锁状态标记为偏向锁，将线程ID记录在Mark Word中。
- 如果后续该线程再次进入同步块，只需要判断Mark Word中的线程ID是否和当前线程一致，一致则直接进入，不需要任何同步操作。
- 如果有另一个线程尝试获取这个锁，偏向锁就会被撤销，升级为轻量级锁。
- 轻量级锁状态下，线程通过CAS操作尝试获取锁，成功则执行同步块，失败则自旋等待。
- 如果自旋次数超过JVM设定的阈值（默认是10次，或者自适应自旋），或者存在第三个线程竞争锁，轻量级锁就会膨胀为重量级锁。
- 重量级锁状态下，获取不到锁的线程会进入阻塞队列，等待锁释放后被唤醒重新竞争。
锁状态对应的Mark Word结构
不同锁状态下，对象头Mark Word的结构不同，我们可以通过下表直观了解：
| 锁状态 | 25bit | 4bit | 1bit（是否是偏向锁） | 2bit（锁标志位） |
|---|---|---|---|---|
| 无锁 | 对象的hashCode | 对象分代年龄 | 0 | 01 |
| 偏向锁 | 线程ID | 对象分代年龄 | 1 | 01 |
| 轻量级锁 | 指向栈中锁记录的指针 | 0 | 00 | |
| 重量级锁 | 指向重量级锁的指针 | 0 | 10 | |
代码示例验证锁升级
我们可以通过简单的代码观察synchronized的锁升级过程，以下代码模拟了多线程竞争的场景：
public class SynchronizedUpgradeTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 创建一个普通对象
Object lock = new Object();
// 第一个线程获取偏向锁
new Thread(() -> {
synchronized (lock) {
System.out.println("线程1获取锁，当前应该是偏向锁状态");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
// 等待第一个线程启动
Thread.sleep(500);
// 第二个线程竞争锁，触发偏向锁升级为轻量级锁
new Thread(() -> {
synchronized (lock) {
System.out.println("线程2获取锁，此时偏向锁会升级为轻量级锁");
}
}).start();
// 等待前两个线程执行完成
Thread.sleep(3000);
// 多个线程同时竞争，触发轻量级锁升级为重量级锁
for (int i = 0; i < 5; i++) {
new Thread(() -> {
synchronized (lock) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取锁，此时会升级为重量级锁");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
}
}
}
运行上述代码时，我们可以通过JVM工具观察锁状态的变化，当多个线程同时竞争锁时，最终锁会升级为重量级锁，此时线程会进入阻塞状态，性能开销会明显增大。
实际开发中的优化建议
- 如果同步块只会单线程访问，不需要额外处理，JVM会默认使用偏向锁优化。
- 如果同步块是多线程交替执行，没有激烈竞争，偏向锁和轻量级锁已经足够，不需要额外优化。
- 如果存在激烈的多线程竞争，synchronized会自动升级为重量级锁，此时可以考虑使用并发包下的Lock接口实现类，比如ReentrantLock，根据场景选择公平锁或非公平锁。
- 尽量不要在循环中使用synchronized，避免频繁获取释放锁带来的性能损耗。
synchronized偏向锁轻量级锁重量级锁JVM锁升级修改时间：2026-06-28 18:00:33