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详解JVM中的偏向锁、轻量级锁与重量级锁_锁膨胀的完整触发条件

P粉602998670

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发布时间:2026-02-26 14:15:12

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来源于php中文网

原创

偏向锁在另一线程竞争时触发检查并升级:原线程消亡、调用wait/notify、hashcode或gc发现偏向线程死亡均导致升级,且不会主动释放。

详解jvm中的偏向锁、轻量级锁与重量级锁_锁膨胀的完整触发条件

偏向锁什么时候会失效并升级?

偏向锁不是永久有效的,只要出现“另一个线程来竞争”这个事实,它就大概率要升级——但不是立刻升,而是触发一连串检查。关键在于:**偏向锁不会主动释放,所以“竞争”发生时,JVM必须先确认原持有线程是否还活着、是否还在用这把锁**。

常见触发场景包括:

  • 第二个线程调用 synchronized(obj) 试图进入同一同步块
  • 任意线程对已偏向对象调用 obj.wait()obj.notify()(哪怕还是原线程)→ 直接升级为轻量级锁
  • 任意线程调用 obj.hashCode() → 如果对象正处在偏向状态,强制升级为重量级锁(因为 hashCode 需要存进 Monitor,而偏向锁的 Mark Word 没地方存)
  • GC 过程中发现偏向线程已消亡,且锁未被释放 → 清空偏向信息,重置为无锁状态,下个竞争者可重新偏向

容易踩的坑:-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 必须配 -XX:+UseBiasedLocking 才生效;默认延迟 4 秒,意味着刚启动那几秒你测不到偏向行为,别误判“没开启”。

轻量级锁自旋失败后一定升级为重量级锁吗?

是的,但“失败”的判定比想象中严格:不是某一次 CAS 失败就升级,而是**连续自旋达到阈值(默认 10 次)后仍无法获取锁,才触发升级**。而且 JDK 6+ 默认启用自适应自旋——如果上次在同一个锁上自旋成功了,这次就会多旋几次;反之则可能跳过自旋直接阻塞。

实操建议:

  • 可通过 -XX:PreBlockSpin=20 调高固定自旋次数(仅 JDK 6~8 有效),但更推荐依赖自适应逻辑
  • 若应用大量短临界区 + 高并发争抢(如高频计数器),自旋反而浪费 CPU,此时关闭偏向锁 + 适度调低自旋(或用 ReentrantLock 配合 tryLock())更稳
  • 注意:轻量级锁解锁时会校验 Mark Word 是否匹配,若不一致(比如被其他线程篡改过),会直接唤醒等待队列,不走正常释放流程

性能影响很实际:自旋期间线程不挂起,但占着 CPU;一旦升级为重量级锁,线程进 Monitor 队列、OS 调度介入、上下文切换开销立刻上来——这就是为什么“锁膨胀”常成为 GC 日志里 BlockingQueueConcurrentHashMap 初始化阶段的隐形瓶颈。

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重量级锁的 Monitor 到底长什么样?

它不是一个 Java 对象,而是 JVM 在对象头外维护的一块 C++ 结构体,包含三个核心字段:_owner(持有线程指针)、_WaitSet(调用 wait() 挂起的线程队列)、_EntryList(正在自旋或阻塞等待锁的线程队列)。一旦锁膨胀到这一步,所有后续竞争都绕不开操作系统线程调度。

关键事实:

  • Monitor 是 lazy-initialize 的——只有首次升级时才分配,不是每个对象都有
  • hashCode()wait()/notify() 一定会走到 Monitor,所以它们天然破坏偏向性
  • 重量级锁状态下,synchronized 的入口不再是 CAS,而是调用 ObjectSynchronizer::enter(),走 OS mutex(如 pthread_mutex_t)
  • 使用 JOL(Java Object Layout)工具查看对象头,能看到 Mark Word 变成指向 Monitor 的指针,且锁标志位为 010

兼容性提醒:某些老版本 JDK(如 7u40 前)在 CMS GC 下曾有 Monitor 泄漏问题;JDK 8u40 后基本稳定,但若频繁看到 java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor) 占比突增,就得查是不是锁粒度太粗或存在隐式锁竞争。

怎么验证当前锁到底处于哪种状态?

不能靠猜,得用工具看 Mark Word。最直接的是用 JOL:new org.openjdk.jol.vm.VM().details() 确认 JVM 参数生效,再用 ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable() 输出对象头十六进制值,对照锁状态位解析。

示例判断逻辑(Mark Word 低 3 位):

  • 001 → 无锁(未锁定,可偏向)
  • 101 → 偏向锁(thread ID 存在,且偏向位为 1)
  • 000 → 轻量级锁(指向当前线程栈中 Lock Record 的指针)
  • 010 → 重量级锁(指向 Monitor 的指针)

容易被忽略的点:JVM 参数 -XX:+PrintSynchronizationStatistics 会输出全局锁统计(如偏向撤销次数),但只在退出时打印;生产环境慎用。真正实用的是配合 jstack -l <pid></pid> 查看线程堆栈中的锁状态描述——里面明确写着 “locked (a java.lang.Object)” 还是 “- waiting to lock ”,后者基本就是重量级锁排队了。

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