一句话说透Java里面的synchronized的原理

Java中synchronized的原理

一、核心机制

synchronized 是Java实现线程同步的关键字，通过对象锁和锁升级策略确保多线程环境下的数据安全与性能优化。

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二、锁的实现基础

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、对齐填充。
   • 对象头中的Mark Word存储锁状态、哈希码、GC年龄等信息。
   • 锁状态通过Mark Word的特定标志位标识，支持锁升级。

2. 监视器锁（Monitor）

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

   • Monitor包含：

     • EntryList：竞争锁的线程队列。
     • WaitSet：调用wait()的线程队列。
     • Owner：持有锁的线程。
     • 计数器：记录锁的重入次数。

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三、锁的四种状态与升级过程

锁状态	特点	适用场景
无锁	对象未被锁定，Mark Word存储哈希码等普通信息。	无竞争环境
偏向锁	记录线程ID，同一线程多次获取锁无需CAS操作。	单线程重复访问
轻量级锁	通过CAS自旋尝试获取锁，失败后短暂自旋（避免线程挂起）。	低并发，线程交替执行
重量级锁	竞争激烈时，线程阻塞并交由操作系统调度（涉及用户态到内核态切换）。	高并发，长时间锁竞争

升级流程：
无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁
（根据线程竞争动态调整，不可降级）

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四、synchronized的使用方式

1. 修饰实例方法

   public synchronized void method() { /* 锁对象为当前实例 */ }  
   

2. 修饰静态方法

   public static synchronized void method() { /* 锁对象为类的Class对象 */ }  
   

3. 同步代码块

   synchronized (lockObject) { /* 显式指定锁对象 */ }  
   

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五、锁的重入性

• 同一线程可多次获取同一把锁（通过计数器实现）。

  public synchronized void methodA() {  
      methodB(); // 可重入  
  }  
  public synchronized void methodB() { /* ... */ }  
  

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六、性能优化与对比

1. 偏向锁

   • 优点：无竞争时减少CAS开销。
   • 触发：首次获取锁时设置线程ID。
   • 撤销：检测到竞争时升级为轻量级锁。

2. 轻量级锁

   • 优点：通过自旋减少线程阻塞。
   • 自旋条件：竞争线程少且持有锁时间短。
   • 失败处理：自旋失败后升级为重量级锁。

3. 重量级锁

   • 缺点：线程阻塞与唤醒开销大（涉及内核态切换）。
   • 适用场景：高并发且锁持有时间长。

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七、与ReentrantLock对比

特性	synchronized	ReentrantLock
锁获取方式	自动获取与释放（代码块结束）	需手动lock()和unlock()
可中断	❌ 不支持	✅ 支持lockInterruptibly()
公平锁	❌ 仅非公平锁	✅ 可设置为公平锁
条件变量	单一wait()/notify()	支持多个Condition

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八、总结

• synchronized 通过对象头锁标志位和Monitor机制实现线程同步。

• 锁升级策略（偏向锁→轻量级锁→重量级锁）平衡性能与安全性。

• 适用场景：

  • 简单同步需求：优先使用synchronized（语法简洁，自动管理锁）。
  • 复杂场景（如超时、公平锁）：考虑ReentrantLock。

口诀：
「对象头里藏玄机，锁的状态分四级
偏向轻量重量级，竞争升级按场景
可重入锁计数器，同步代码保安全！」