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synchronized关键字的实现

article 2025/10/26 18:36:45

Java对象结构

synchronized锁升级过程

为了优化synchronized锁的效率，在JDK6中，HotSpot虚拟机开发团队提出了锁升级的概念，包括偏向锁、轻量级锁、重量级锁等，锁升级指的就是“无锁 --> 偏向锁 --> 轻量级锁 --> 重量级锁”。

synchronized同步锁相关信息保存到锁对象的对象头里面的Mark Word中，锁升级功能主要是依赖Mark Word中锁标志位和是否偏向锁标志位来实现的。

无锁 -> 偏向锁：第一个锁获得它的线程，会在对象头（Mark Word中）记录锁偏向的线程ID。

偏向锁 -> 轻量级锁：当A线程持有偏向锁时，此时B线程通过CAS自旋的方式去竞争锁，如果竞争成功修改偏向锁的线程ID依旧是偏向锁，否则锁会升级为轻量级锁。

轻量级锁 -> 重量级锁：当A线程持有轻量级锁时，此时B线程通过CAS自旋的方式去竞争锁，如果线程B自旋一定次数后依旧无法获得锁，则锁会升级为重量级锁。

注意：可以使用-XX:UseBiasedLocking参数关闭偏向锁，此时默认进入轻量级锁。

synchronized偏向锁的撤销

偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动去释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点safepoint，它会首先暂停拥有偏向锁的线程A，然后判断这个线程A，此时有两种情况：

synchronized重量级锁的实现原理

同步分为显式同步和隐式同步，显式同步，指的是有明确的monitorenter和monitorexit指令。隐式同步，指的是同步方法是由方法调用指令读取运行时常量池中方法的ACC_SYNCHRONIZED标志来隐式实现的。synchronized修饰的方法是隐式同步（使用ACC_SYNCHRONIZED标志），synchronized修饰的同步代码块是显式同步（使用monitorenter和monitorexit指令）。

public class SyncCodeBlock {public int i;public void syncTask(){//同步代码库synchronized (this){i++;}}
}//===========主要看看syncTask方法实现================
public void syncTask();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=3, locals=3, args_size=1
0: aload_0
1: dup
2: astore_1
3: monitorenter  //注意此处，进入同步方法
4: aload_0
5: dup
6: getfield      #2             // Field i:I
9: iconst_1
10: iadd
11: putfield      #2            // Field i:I
14: aload_1
15: monitorexit   //注意此处，退出同步方法
16: goto          24
19: astore_2
20: aload_1
21: monitorexit //注意此处，退出同步方法
22: aload_2
23: athrow
24: return
Exception table:

public class SyncMethod {public int i;public synchronized void syncTask(){i++;}
}//==================syncTask方法======================
public synchronized void syncTask();
descriptor: ()V
//方法标识ACC_PUBLIC代表public修饰，ACC_SYNCHRONIZED指明该方法为同步方法
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
Code:stack=3, locals=1, args_size=10: aload_01: dup2: getfield      #2                  // Field i:I5: iconst_16: iadd7: putfield      #2                  // Field i:I10: returnLineNumberTable:line 12: 0line 13: 10

显式同步是利用monitorenter和monitorexit这两个字节码指令来区分是否同步，它们分别位于同步代码块的开始和结束位置。monitorenter指令后会插入LoadLoad 和 LoadStore 屏障，monitorexit指令后会插入StoreStore 和 StoreLoad 屏障。

隐式同步是利用ACC_SYNCHRONIZED标志来区分是否同步，进入方法前会插入LoadLoad 和 LoadStore 屏障，退出方式时后会StoreStore 和 StoreLoad 屏障。执行线程会先获取monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放monitor。

注意：两种同步方式本质上没有区别，都是通过monitor对象来实现线程同步。

加锁流程

加锁成功

当JVM执行到monitorenter指令时，当前线程试图获取monitor对象的_Owner是否是当前线程，如果已经被当前线程所持有，_count+1，_Owner指向持有monitor对象的线程。

加锁失败

如果获取monitor对象失败，该线程则会进入阻塞队列（_EntryList），并一直阻塞。

释放锁流程

当JVM执行到monitorexit指令时，_count-1，当锁计数器为0时，_Owner恢复为null，表示该锁被释放了，如果_EntryList非空，那么通知_EntryList中所有阻塞的线程，去竞争然后成为下一个_Owner。

wait流程

当持有锁的线程调用wait()方法时，持有锁的线程会进入等待队列（_WaitSet）等待被唤醒，同时count-1，_Owner恢复为null。

notify/notifyAll流程

当有线程执行notify()/notifyAll()方法时，会随机唤醒一个或所有线程从_WaitSet队列进入到_EntryList队列中，只有线程持有者才能调用notify()，当锁释放时会通知_EntryList中所有阻塞的线程。