synchronized 的底层实现机制，核心就是 JDK 1.6 之后的锁升级（锁膨胀）过程——JVM 为了优化锁性能，设计了四级锁状态（无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁），会根据多线程竞争情况自动升级，不会主动降级，这是 synchronized 高效的核心。

核心优化逻辑：无竞争用偏向锁，轻竞争用自旋轻量锁，强竞争用内核重量级锁。

一、对象头（锁的载体）

synchronized 锁的是对象，所有锁信息都存在 对象头（Mark Word） 里，这是锁升级的基础。

Java 对象内存布局 = 对象头 + 实例数据 + 对齐填充。

Mark Word（关键） 存储：

• 哈希码（HashCode）
• GC 分代年龄
• 锁状态标志
• 持有锁的线程 ID
• 指向锁记录 / 重量级锁的指针

锁状态	存储内容	标志位
无锁	哈希码、分代年龄	01
偏向锁	线程 ID、分代年龄	01
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针	00
重量级锁	指向互斥量的指针	10

二、锁升级完整流程（核心）

顺序：无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁。只会升级，不会降级（JDK 15+ 有优化但主流场景仍遵循此规则）

无锁（01）
   ↓ 第一个线程访问
偏向锁（01，存储线程ID）
   ↓ 第二个线程竞争
轻量级锁（00，自旋CAS）
   ↓ 自旋失败/多线程竞争
重量级锁（10，内核互斥锁）

1. 无锁状态

• 没有任何线程竞争，对象处于正常状态
• Mark Word 存储：哈希码 + 分代年龄 + 01（标志位）

2. 偏向锁（第一个线程获取锁）

适用场景：只有一个线程反复执行同步代码，无竞争

原理：

JVM 默认开启偏向锁，第一个线程访问同步代码时：

1. 检查对象头 Mark Word 是否为可偏向状态（01）
2. 通过 CAS 操作把自己的线程 ID写入对象头
3. 后续该线程再次进入同步块，无需任何 CAS、无需加锁，直接放行

特点：

• 开销极低，几乎和无锁代码一样快
• 一旦有第二个线程参与竞争，偏向锁立刻撤销，升级为轻量级锁

3. 轻量级锁（自旋锁，多线程交替执行）

适用场景：少量线程竞争，锁持有时间短，线程交替执行

原理：

1. 偏向锁撤销后，JVM 在当前线程栈帧中创建 锁记录（Lock Record）
2. 线程尝试用 CAS 将对象头 Mark Word 替换为指向锁记录的指针
3. CAS 成功：当前线程获取轻量级锁
4. CAS 失败：说明有其他线程竞争，当前线程自旋（循环尝试 CAS），不阻塞

特点：

• 不使用内核态的互斥锁，减少线程上下文切换开销
• 自旋是忙等待，消耗 CPU，适合短时间持有锁的场景
• 自旋达到一定次数 / 阈值，升级为重量级锁

4. 重量级锁（多线程激烈竞争）

适用场景：大量线程竞争，锁持有时间长

原理：

1. 轻量级锁自旋失败后，升级为重量级锁
2. 对象头 Mark Word 指向 操作系统互斥量（Mutex/Monitor）
3. 竞争失败的线程会进入阻塞状态，释放 CPU 资源
4. 锁释放后，唤醒阻塞线程，重新竞争

特点：

• 线程阻塞 / 唤醒需要用户态 ↔ 内核态切换，开销最大
• 不消耗 CPU（线程休眠），适合高竞争、长持有锁场景

5. 三种锁的对比

锁类型	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁解锁无开销，比无锁略快	多线程竞争时，撤销锁有开销	单线程反复执行同步块
轻量级锁	自旋不阻塞，无线程切换开销	自旋消耗 CPU	线程交替执行，锁持有时间短
重量级锁	线程阻塞不消耗 CPU	阻塞 / 唤醒开销极大	高并发竞争，锁持有时间长

三、补充知识点

1. 偏向锁的撤销

偏向锁只有遇到其他线程竞争时才会撤销，撤销需要等待 全局安全点（STW），这是偏向锁唯一的性能损耗点。

2. 自旋锁的优化

JDK 1.7+ 后，自旋次数由 JVM 自适应控制（根据历史锁竞争情况动态调整），不再固定次数。

3. 为什么要设计锁升级？

• 无锁 / 偏向锁：解决无竞争场景
• 轻量级锁：解决短时间竞争场景
• 重量级锁：解决激烈竞争场景用最低成本的锁应对不同竞争强度，最大化提升性能。