Java 锁机制深度解析（系列一）：总览与核心概念

Java 锁机制深度解析（系列一）：总览与核心概念

前言

在并发编程中，锁是协调多线程对共享资源访问的核心手段。Java 提供了丰富的锁机制，从最底层的synchronized到 JUC（java.util.concurrent）包中的各类显式锁，形成了一个层次分明的锁体系。

一、锁的分类体系

从不同维度来看，Java 中的锁可以划分为多个类别：

按粒度

按性质

按竞争策略

公平锁 vs 非公平锁

可重入锁 vs 不可重入锁

按状态（JVM 内部）

这是理解synchronized性能的关键：

二、核心术语速览

三、如何选择锁？

实际开发中的选择原则：

四、性能对比（概览）

以下为 JDK 8+ 典型场景下的相对性能（数值越大越好，仅供参考）：

说明：JDK 6 对synchronized做了大量优化（偏向锁、轻量级锁、锁消除、锁粗化），现代 JDK 中synchronized在低竞争场景下性能已不逊于ReentrantLock。

五、一个直观的例子：从无锁到有锁

// 场景：10000 个线程对共享变量自增// 方案1：无锁（线程不安全）staticintcount1=0;// 结果不可预测// 方案2：synchronizedstaticintcount2=0;staticsynchronizedvoidincrement2(){count2++;}// 方案3：ReentrantLockstaticintcount3=0;staticLocklock=newReentrantLock();staticvoidincrement3(){lock.lock();try{count3++;}finally{lock.unlock();}}// 方案4：AtomicInteger（无锁 CAS）staticAtomicIntegercount4=newAtomicInteger(0);// count4.incrementAndGet();

性能表现（粗略，取决于线程数和竞争程度）：

低竞争： CAS ≈ synchronized ≈ ReentrantLock 高竞争： synchronized（重量级） < ReentrantLock < CAS（但CAS可能导致自旋开销） 读多写少： ReadWriteLock > ReentrantLock > synchronized

六、底层基石：对象头与 Mark Word

理解 Java 锁必须理解对象的内存布局。一个 Java 对象在堆内存中包含：

+------------------+ ← 对象起始 | Mark Word | 8 字节（32位JVM）/ 8 字节（64位JVM 压缩后） +------------------+ | Klass Pointer | 4/8 字节（指向类元数据） +------------------+ | 实例数据 | (按需) +------------------+ | 对齐填充 | +------------------+

Mark Word是锁状态的核心存储区，它的结构随锁状态变化：

64位JVM Mark Word 布局： 无锁 (Normal): | unused:25 | identity_hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:0 | 01 | 偏向锁 (Biased): | thread:54 | epoch:2 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | 01 | 轻量级锁 (Lightweight Locked): | ptr_to_lock_record:62 | 00 | 重量级锁 (Heavyweight Locked): | ptr_to_monitor:62 | 10 | GC 标记 (Marked for GC): | 11 |

关键观察：Mark Word 在无锁时存储对象的 identity hashcode 和 GC 分代年龄；一旦加锁，这些信息会被覆盖并暂存到其他地方。这就是为什么重写了hashCode()的对象无法使用偏向锁——因为偏向锁需要利用 Mark Word 中原本存储 hashcode 的位置来存储线程 ID。

七、锁升级路径（synchronized 的核心）

synchronized在 JDK 6 之后采用了锁升级机制，这是其性能大幅提升的根本原因：

无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁 （只升不降，但GC后可能恢复到无锁）

轻量级锁失败 无锁 ──[单线程]──→ 偏向锁 ──[多线程交替]──→ 轻量级锁 ──[多线程竞争]──→ 重量级锁 ↓ ↓ 撤销偏向锁 CAS自旋失败 (需在安全点) (线程挂起/阻塞)

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