美团一面：说说synchronized的实现原理？

在Java中，synchronized是用于实现线程同步的关键字，其底层实现原理涉及对象头、监视器锁（Monitor）以及锁升级机制。以下是详细解析：

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1. 对象头与Mark Word

每个Java对象在内存中由三部分组成：

• 对象头（Header） ：存储对象的元数据，包括锁状态、GC分代年龄等。
• 实例数据（Instance Data） ：对象的成员变量。
• 对齐填充（Padding） ：确保对象内存对齐。

Mark Word是对象头的一部分，记录了对象的锁状态、哈希码、分代年龄等信息。在32位JVM中，Mark Word占4字节；64位JVM中占8字节。不同锁状态下，Mark Word的内容会动态变化：

锁状态	存储内容
无锁	哈希码、分代年龄、是否偏向锁（0）
偏向锁	线程ID、Epoch、分代年龄、偏向标记（1）
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针（Lock Record）
重量级锁	指向Monitor的指针

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2. 监视器锁（Monitor）

Monitor是JVM实现的线程同步机制，每个对象关联一个Monitor。当线程执行synchronized代码块时：

1. 尝试获取锁：通过CAS操作修改Mark Word，指向当前线程的Monitor。
2. 获取成功：线程持有锁，执行同步代码。
3. 获取失败：线程进入阻塞队列，等待锁释放后被唤醒。

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3. 锁升级机制

为了提高性能，JVM在JDK 6后引入锁升级机制，按竞争激烈程度逐步升级：

1. 偏向锁（Biased Lock）

   • 适用场景：单线程重复访问同步代码。
   • 实现：Mark Word记录线程ID，后续无需CAS操作。
   • 升级条件：检测到其他线程尝试获取锁（撤销偏向锁）。

2. 轻量级锁（Lightweight Lock）

   • 适用场景：多线程交替执行，无实际竞争。
   • 实现：通过CAS将Mark Word替换为指向线程栈中锁记录的指针。
   • 升级条件：CAS自旋失败（竞争加剧）。

3. 重量级锁（Heavyweight Lock）

   • 适用场景：高并发竞争。
   • 实现：线程阻塞，依赖操作系统互斥量（mutex）实现同步，开销较大。

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4. 同步代码的字节码实现

• 同步代码块：通过monitorenter和monitorexit指令实现。

  public void syncBlock() {
      synchronized (this) { // monitorenter
          // 代码逻辑
      } // monitorexit
  }
  

• 同步方法：通过方法访问标志ACC_SYNCHRONIZED实现。

  public synchronized void syncMethod() {
      // 代码逻辑
  }
  

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5. 优化机制

• 锁消除（Lock Elimination） ：JIT编译器检测到不可能存在共享数据竞争时，自动移除锁。
• 锁粗化（Lock Coarsening） ：将多个连续的锁操作合并为一个，减少锁开销。
• 自适应自旋（Adaptive Spinning） ：根据历史自旋成功率动态调整自旋次数，避免CPU空转。

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6. 性能对比

锁类型	适用场景	性能开销	实现依赖
偏向锁	单线程无竞争	极低	CAS
轻量级锁	低并发交替执行	低	CAS + 自旋
重量级锁	高并发竞争	高	操作系统互斥量（mutex）

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总结

• synchronized通过对象头、Monitor和锁升级机制实现线程同步。
• 锁升级策略（偏向锁→轻量级锁→重量级锁）平衡了性能和安全性。
• 优化机制（锁消除、锁粗化）进一步减少同步开销。

扩展思考：

• 在高并发场景下，为何最终会升级为重量级锁？
• synchronized与ReentrantLock有何异同？