synchronized 实现原理

1. 对象头与 Mark Word

每个 Java 对象在内存中分为三部分：对象头、实例数据 和 对齐填充。
对象头 是核心部分，包含以下信息：

• Mark Word（标记字段）：存储对象的哈希码、分代年龄、锁状态等。
• Klass Pointer（类型指针）：指向类的元数据（方法区中的 Class 对象）。

Mark Word 的结构（以 64 位 JVM 为例）：

锁状态	存储内容（64位）
无锁	哈希码（25位） + 分代年龄（4位） + 偏向模式（1位，0） + 锁标志位（2位，01）
偏向锁	线程ID（54位） + 时间戳（2位） + 分代年龄（4位） + 偏向模式（1位，1） + 锁标志位（01）
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针（62位） + 锁标志位（00）
重量级锁	指向 Monitor 的指针（62位） + 锁标志位（10）
GC 标记	空（无意义） + 锁标志位（11）

锁标志位（2位） 决定了当前锁的状态：01（无锁/偏向锁）、00（轻量级锁）、10（重量级锁）、11（GC标记）。

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2. Monitor 机制

每个对象关联一个 Monitor（监视器锁），其本质是 JVM 对操作系统 Mutex Lock 的封装，用于管理线程的竞争与等待。
Monitor 的结构如下：

• Owner：持有锁的线程。
• EntryList：等待锁的线程队列（未获取到锁的线程在此阻塞）。
• WaitSet：调用 wait() 后进入等待状态的线程队列。

线程获取锁的流程：

1. 线程尝试通过 CAS 操作 将 Mark Word 中的锁标志位设置为轻量级锁或偏向锁。
2. 若竞争失败，线程进入 EntryList 等待，并升级为重量级锁（依赖操作系统 Mutex Lock）。
3. 持有锁的线程释放锁后，唤醒 EntryList 中的线程重新竞争。

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3. 锁升级过程

为提高性能，JVM 在 JDK 1.6 后引入 锁升级 机制，根据竞争情况动态调整锁状态：

1. 无锁

   • 初始状态，未发生线程竞争。

2. 偏向锁

   • 适用场景：单线程重复访问同一同步代码。
   • 实现：将线程ID写入 Mark Word，后续访问无需 CAS 操作。
   • 触发升级：当其他线程尝试获取锁时，撤销偏向锁，升级为轻量级锁。

3. 轻量级锁

   • 适用场景：低并发、线程交替执行同步代码。
   • 实现：通过 CAS 自旋 尝试获取锁，避免线程阻塞。
   • 触发升级：自旋超过阈值（默认 10 次）或竞争加剧时，升级为重量级锁。

4. 重量级锁

   • 适用场景：高并发、竞争激烈。
   • 实现：依赖操作系统 Mutex Lock，线程阻塞并进入 EntryList 等待唤醒。
   • 开销：涉及用户态到内核态的切换，性能较低。

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4. 字节码层面的实现

synchronized 在字节码中通过两条指令实现同步：

• 同步代码块：
  编译后插入 monitorenter 和 monitorexit 指令，分别对应锁的获取和释放。

  public void method() {synchronized (this) {  // monitorenterSystem.out.println("同步代码块");}                     // monitorexit
  }
  

• 同步方法：
  方法标记 ACC_SYNCHRONIZED 标志，JVM 在方法调用时隐式获取锁。

  public synchronized void increase() { count++; 
  }
  

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5. 其他核心特性

1. 可重入性
   同一线程可多次获取同一把锁（通过计数器实现，避免死锁）。

2. 排他性
   同一时刻仅一个线程能持有锁，其他线程必须等待。

3. 锁释放
   线程执行完同步代码块或抛出异常时，JVM 自动释放锁。

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总结

synchronized 的底层实现结合了 对象头标记、Monitor 竞争管理 和 锁升级优化，在保证线程安全的同时兼顾性能。其核心优势在于：

• JVM 自动管理锁：无需手动释放，避免死锁。
• 锁升级机制：根据竞争动态调整，减少性能开销。
• 可重入性：支持同一线程重复获取锁。

适用场景：单例模式、简单资源同步等低竞争或需快速实现同步的场景。对于高并发复杂场景，可结合 Lock 的高级功能（如超时、公平锁）优化性能。