synchronized 锁升级 & JDK15关闭偏向锁

环境背景：Java对象头Mark Word实现锁状态，锁一共有4种状态：无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁，只能升级不能降级。JDK1.6引入偏向锁，JDK15默认禁用偏向锁(-XX:+UseBiasedLocking默认false)。

一、synchronized 为什么可以锁升级？

锁升级本质：JDK1.6对synchronized做自适应自旋+锁状态分层优化，依据竞争激烈程度，逐步切换锁实现，平衡性能开销。 对象头Mark Word存储锁标记位： |锁状态|标记位|说明| |---|---|---| |无锁|01|没有线程竞争| |偏向锁|01|偏向某一个线程，单线程优先| |轻量级锁|00|自旋，多线程交替访问，竞争不激烈| |重量级锁|10|向OS申请互斥锁，阻塞线程，竞争激烈|

1）偏向锁

场景：大多数情况锁总是被同一个线程获取，几乎没有竞争。

• 线程第一次获取锁：CAS把Mark Word里线程ID设置为当前线程，标记为偏向锁。不需要每次加锁解锁做CAS操作，后续该线程再次进入同步块只做简单判断，性能极高。
• 没有真正加锁，只是标记“这个锁归你”。

缺陷：一旦出现另外线程竞争，偏向锁撤销（revoke）代价很大，需要全局安全点STW，暂停持有锁的线程。

2）轻量级锁

场景：多线程交替获取锁，竞争不激烈，不会同时抢锁。 当有第二个线程来抢偏向锁，偏向锁撤销，升级为轻量级锁。

• 线程在栈帧创建锁记录LR，CAS把对象Mark Word替换指向LR；CAS成功拿到锁。
• 拿不到锁的线程自适应自旋循环，不阻塞，不调用操作系统内核。
• 自旋有次数限制，不会无限自旋，消耗CPU。

适用：线程短时间交替持有锁。如果两个线程同时抢锁（真竞争），自旋失败，升级重量级锁。

3）重量级锁

场景：多个线程同时竞争锁，竞争激烈。 依赖操作系统mutex互斥锁。

• 竞争失败的线程直接阻塞，放入等待队列，内核态完成线程挂起唤醒。
• 用户态→内核态切换，开销大。

✅为什么只能升级，不能降级？

1. 降级需要STW，开销巨大。已经升级到重量级锁之后，如果再降级回轻量/偏向锁，需要遍历阻塞队列、重置Mark Word，要安全点暂停所有线程，得不偿失。
2. JVM设计假设：一旦发生激烈竞争，大概率后续竞争依旧激烈，没有必要退回到低层级锁。

重点：重量级锁不会降级；轻量级锁在无竞争时可以回到无锁，但不会回到偏向锁。偏向锁一旦撤销，该对象再也不会进入偏向锁状态。

总结锁升级完整流程： 无锁 → 单线程反复获取 → 偏向锁 出现第二个线程竞争 → 撤销偏向锁 → 轻量级锁 多线程同时争抢，自旋耗尽 → 重量级锁

二、JDK15 默认关闭偏向锁 UseBiasedLocking=false

可以手动开启：-XX:+UseBiasedLocking，但是官方不推荐。

1）偏向锁的核心痛点

偏向锁收益建立在：锁长期被同一个线程占用，几乎没有竞争。 但是它的撤销（revoke）代价极高：

1. 撤销偏向锁必须走到 STW全局安全点，暂停持有锁的线程，修正对象头Mark Word。
2. 批量重偏向、批量撤销：当大量对象偏向锁被撤销，会触发批量处理；高并发场景下，批量撤销会带来明显的STW停顿。

2）现代业务环境变化

1. 现在高并发多线程程序越来越多，很多锁会被多个线程访问，真正适合偏向锁的场景变少。很多锁刚偏向，马上就遇到竞争，立刻触发撤销，不仅没有收益，反而引入STW开销。
2. 轻量级锁的CAS性能已经优化的非常好。对于单线程场景，轻量级锁CAS开销已经很小，偏向锁带来的性能提升微乎其微，但是一旦竞争，惩罚代价很大。

3）官方考量（OpenJDK官方说明）

1. 偏向锁代码复杂，维护成本高，很多bug都来源于偏向锁逻辑。
2. 真实业务中，偏向锁的性能收益经常被它撤销带来的STW抵消甚至反亏。
3. 保留开关，不删除该特性，如果你的业务确定大量锁始终只有一个线程访问，可以手动打开。

JDK15变更：只是默认关闭，不是移除偏向锁。

4）补充对比

• JDK1.6~14：UseBiasedLocking=true 默认开启
• JDK15+：UseBiasedLocking=false 默认关闭

关闭偏向锁之后锁路径：无锁 → 轻量级锁 → 重量级锁，跳过偏向锁这一步。

三、常见面试追问

1. Q：关闭偏向锁之后，单线程拿synchronized会不会变慢？ A：会走轻量级锁CAS。现代CPU CAS指令极快，绝大多数场景性能差距很小，避免了偏向锁撤销STW风险。

2. Q：偏向锁一定比轻量级锁快？ A：只有完全无竞争，同一个线程反复拿锁才快。一旦出现竞争，撤销的STW开销会远大于收益。

3. Q：锁可以降级吗？ A：重量级锁不会降级；轻量级锁解锁后回到无锁，但不会回到偏向锁。偏向锁撤销后对象永久不再偏向。

4. Q：什么是批量重偏向、批量撤销？

当一个类大量对象发生偏向锁撤销，JVM判断：可能是线程换了，就做批量重偏向，把这些对象偏向新线程； 如果撤销继续增多，触发批量撤销，这个类所有新创建对象直接禁止偏向。

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