锁升级是 Java 中 synchronized 锁 的核心优化机制（基于 JVM 的 对象头 Mark Word 实现），指锁的状态从 无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁 逐步升级的过程。其目的是通过 “按需升级”，在不同并发场景下选择最优的锁实现，平衡性能与线程安全。

一、锁的四种状态

在讲解升级过程前，需先明确 synchronized 锁的四种状态（按开销从小到大排序）：

二、锁升级的完整过程

锁升级的触发条件是 “并发竞争加剧”，JVM 会根据线程竞争情况，自动将锁从低开销状态升级到高开销状态，且升级过程是 单向的（不可逆）（如偏向锁升级为轻量级锁后，不会再降级为偏向锁）。

1. 第一步：无锁 → 偏向锁

• 触发场景：单线程首次获取 synchronized 锁时，JVM 为了减少锁开销，会将锁初始化为 “偏向锁”。
• 核心操作：
  1. 线程 A 尝试获取锁时，检查对象头的 Mark Word（存储对象锁状态的字段），发现当前是 “无锁” 状态。
  2. 通过 CAS 操作，将 Mark Word 中的 “锁状态” 改为 “偏向锁”，并记录线程 A 的 ID（threadId）和 “偏向时间戳”。
  3. 后续线程 A 再次进入 synchronized 代码块时，只需对比 Mark Word 中的线程 ID 是否为自己：
     • 是：直接重入锁，无需任何 CAS 或阻塞操作（开销极低）。
     • 否：触发偏向锁撤销，进入下一步升级。

2. 第二步：偏向锁 → 轻量级锁

• 触发场景：当有 第二个线程（线程 B）尝试获取同一把锁 时，偏向锁的 “单线程假设” 被打破，JVM 会撤销偏向锁，升级为 “轻量级锁”。
• 核心操作：
  1. 线程 B 尝试获取锁时，发现 Mark Word 记录的是线程 A 的 ID（偏向锁状态），且线程 A 可能仍在执行（或已退出但未清理偏向锁）。
  2. JVM 首先会 暂停线程 A，检查线程 A 的状态：
     • 若线程 A 已退出：将 Mark Word 重置为 “无锁”，线程 B 重新尝试 CAS 获取轻量级锁。
     • 若线程 A 仍在执行：撤销偏向锁（将 Mark Word 中的偏向状态清除），进入轻量级锁竞争。
  3. 轻量级锁的竞争逻辑：
     • 线程 A 和线程 B 会分别在自己的 栈帧 中创建一个 “锁记录（Lock Record）”，存储对象头 Mark Word 的副本（称为 Displaced Mark Word）。
     • 线程通过 CAS 操作，尝试将对象头的 Mark Word 指向自己的 “锁记录地址”：
       • 成功：获取轻量级锁，执行同步代码。
       • 失败：判断当前锁是否仍为轻量级锁（未升级），若仍是，则自旋重试 CAS（避免阻塞）；若自旋次数超过阈值（默认 10 次，或自适应自旋），则进入下一步升级。

3. 第三步：轻量级锁 → 重量级锁

• 触发场景：当 多个线程同时竞争锁（如线程 A、B、C 同时尝试获取锁），或轻量级锁的 CAS 自旋重试失败 时，轻量级锁的 “交替执行假设” 被打破，JVM 会将锁升级为 “重量级锁”。
• 核心操作：
  1. 线程 C 尝试 CAS 获取轻量级锁时，发现对象头的 Mark Word 已指向线程 A 的锁记录（线程 A 持有轻量级锁），且自旋重试多次后仍未成功。
  2. JVM 会将轻量级锁的 “锁状态” 改为 “重量级锁”，并将对象头的 Mark Word 指向 操作系统的互斥量（Mutex） 地址。
  3. 此时未获取到锁的线程（如 B、C）会 放弃 CAS 自旋，转而调用操作系统的 park() 方法，进入 阻塞状态（内核态切换，开销高）。
  4. 当持有锁的线程 A 释放锁时，会通过操作系统的 unpark() 方法，唤醒阻塞队列中的一个线程（如 B），线程 B 重新竞争重量级锁。

三、关键细节：对象头 Mark Word 的角色

锁升级的本质是 对象头 Mark Word 的状态变化，不同锁状态下，Mark Word 的存储内容不同（以 64 位 JVM 为例）：

JVM 通过读取 Mark Word 的 “锁状态标识位”，即可判断当前锁的状态，进而执行对应的升级逻辑。

四、锁升级的核心目的

锁升级的设计思想是 “因地制宜”：

单线程场景：用偏向锁最小化锁开销（几乎无成本）。

低并发场景：用轻量级锁的 CAS 操作避免线程阻塞（用户态操作，开销低）。

高并发场景：用重量级锁的互斥量保证线程安全（虽开销高，但能稳定处理竞争）。

通过这种 “按需升级” 的机制，synchronized 锁在不同并发场景下都能兼顾性能与安全性，避免了 “一刀切” 的锁开销问题（如早期 synchronized 直接使用重量级锁，单线程场景下也有高开销）。