synchronized

在 Java 中，synchronized 是实现线程同步的核心机制，其底层原理涉及 对象头结构、Monitor 锁模型 和 锁升级优化。

一、synchronized 的作用

• 原子性：确保同一时刻只有一个线程执行同步代码。
• 可见性：线程解锁前，变量修改会强制刷入主内存；加锁时，从主内存重新加载变量。
• 有序性：通过锁限制指令重排序（遵守 as-if-serial 和 happens-before 规则）。

二、底层实现：对象头与 Monitor

1. 对象头结构

每个 Java 对象在堆中存储时，对象头包含 Mark Word（存储锁状态）和 类型指针。

锁状态通过 biased_lock 和 lock 标志位标识。

2. Monitor 机制

每个对象关联一个 Monitor（由 C++ 实现的 ObjectMonitor 结构）。

Monitor 关键字段：

_owner：持有锁的线程。_EntryList：竞争锁时阻塞的线程队列。_WaitSet：调用 wait() 后进入等待状态的线程队列。

加锁过程：

线程尝试通过 CAS 操作将 Mark Word 替换为指向 Monitor 的指针。成功则获得锁；失败则进入 _EntryList 阻塞等待。

三、锁升级优化（JDK 6+）

为提高性能，JVM 会根据竞争情况动态升级锁状态：

1. 偏向锁（Biased Lock）

适用场景：没有实际竞争，仅单个线程反复获取锁。实现：在 Mark Word 中记录线程 ID，后续同一线程无需 CAS 操作。

示例：

Object lock = new Object();
synchronized (lock) { 
    // 首次进入：升级为偏向锁 
    // 同步代码
}

2. 轻量级锁（Lightweight Lock）

适用场景：锁竞争轻微，多线程交替执行。实现：通过 自旋（CAS） 尝试获取锁，避免线程阻塞。

synchronized (lock) { 
    // 存在竞争但短暂：升级为轻量级锁 
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    { 
        // 低竞争循环操作 
    }
}

3. 重量级锁（Heavyweight Lock）

适用场景：高并发竞争，自旋消耗 CPU 资源。

实现：锁升级为重量级锁，未获取锁的线程进入阻塞状态（依赖操作系统互斥量）。

synchronized (lock) 
{ 
    // 高竞争场景：升级为重量级锁 
   // 高并发操作（如数据库连接池竞争）
}

四、性能优化机制

自适应自旋

JVM 根据历史自旋成功率动态调整自旋次数。

锁消除（Lock Elimination）

编译器通过逃逸分析，去除不可能存在竞争的锁（如局部变量同步）。

public void method() 
{ 
    Object localObj = new Object(); 
    synchronized (localObj) 
    { 
        // 锁被消除 
        // 局部对象无并发访问
     }
}

锁粗化（Lock Coarsening）

将相邻的同步块合并，减少锁的获取/释放次数。

synchronized (lock) 
{ 
    // 操作1
}
synchronized (lock) 
{ 
    // 合并为一个同步块 
    // 操作2
}

五、与 ReentrantLock 对比

六、总结

• 底层核心：通过对象头标记锁状态，依赖 Monitor 控制线程竞争。
• 锁升级：根据竞争激烈程度动态优化（偏向锁→轻量级→重量级）。
• 优化手段：自旋、锁消除、锁粗化降低同步开销。
• 适用场景：轻量级同步推荐 synchronized，复杂需求（如超时、公平性）使用 ReentrantLock。