Java synchronized 实现原理与锁升级机制详解

平平无奇的开发仔
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一、概述

synchronized是 Java 中实现线程同步的关键字，它提供了一种内置的锁机制，可以确保多个线程在访问共享资源时的互斥性。随着 JDK 版本的迭代，synchronized的性能得到了显著优化，其中最重要的优化就是锁升级机制。

二、底层实现基础

2.1 Java 对象头

在 JVM 中，每个 Java 对象在内存中都包含三部分：

  • 对象头（Header）
  • 实例数据（Instance Data）
  • 对齐填充（Padding）

synchronized的锁信息主要存储在对象头的 Mark Word中。

64位 JVM 下 Mark Word 结构：

锁状态25 bit31 bit1 bit4 bit1 bit (偏向锁位)2 bit (锁标志位)
无锁unused对象的 hashCode分代年龄分代年龄001
偏向锁线程ID(54bit) Epoch对象分代年龄1分代年龄101
轻量级锁指向栈中锁记录的指针 (62 bit)00
重量级锁指向互斥量（Monitor）的指针 (62 bit)10
GC标记与GC相关的信息(62 bit)11

注意：自 JDK 15 起，偏向锁被默认禁用，但理解其原理仍有重要意义。

2.2 监视器（Monitor）

Monitor 是实现同步的底层对象，每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor：

  • synchronized代码块 → monitorenter和 monitorexit指令
  • synchronized方法 → ACC_SYNCHRONIZED方法访问标志

三、锁升级过程

锁升级路径：无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁

3.1 偏向锁（Biased Locking）

设计初衷：减少同一线程重复获取锁的开销。 工作流程：

  1. 第一个获取锁的线程将线程ID CAS 到对象头
  2. 该线程再次进入时直接检查线程ID，匹配则直接获取锁
  3. 其他线程竞争时，开始偏向锁撤销

优缺点：

  • ✅ 无竞争时性能极佳
  • ❌ 竞争激烈时撤销成本高

3.2 轻量级锁（Lightweight Locking）

设计初衷：当存在轻度锁竞争时，通过自旋避免线程阻塞。 加锁过程：

// 伪代码流程
1. 在栈帧中创建锁记录(Lock Record)
2. 拷贝对象头Mark Word到锁记录(Displaced Mark Word)
3. CAS将对象头指向锁记录指针
4. 成功则获得锁，失败则自旋重试

自适应自旋：JDK 6 引入，根据上次自旋结果动态调整自旋次数。

3.3 重量级锁（Heavyweight Locking）

触发条件：轻量级锁自旋失败后升级。 特点：

  • 基于操作系统互斥量(mutex)实现
  • 线程阻塞和唤醒需要内核态切换
  • 开销最大但可保证公平性

四、锁升级流程图

flowchart TD
    A[线程进入同步块] --> B{检查锁状态}
    
    B -->|无锁(01)| C{偏向锁是否启用?}
    C -->|是| D[CAS设置线程ID]
    D -->|成功| E[获得偏向锁]
    D -->|失败| F[偏向锁撤销]
    
    C -->|否| F
    
    B -->|偏向锁(01)| G{线程ID是否匹配?}
    G -->|是| E
    G -->|否| F
    
    F --> H[升级为轻量级锁]
    H --> I[创建锁记录拷贝Mark Word]
    I --> J[CAS替换对象头]
    J -->|成功| K[获得轻量级锁]
    J -->|失败| L[自适应自旋]
    L --> M{自旋成功?}
    M -->|是| K
    M -->|否| N[升级为重量级锁]
    
    B -->|轻量级锁(00)| O[检查锁记录指针]
    O -->|指向当前线程| K
    O -->|重入| P[添加空锁记录]
    
    B -->|重量级锁(10)| Q[进入等待队列阻塞]
    
    E --> R[执行同步代码]
    K --> R
    P --> R
    Q --> R
    
    R --> S[退出同步块]
    S --> T{当前锁状态}
    
    T -->|偏向锁| U[什么都不做]
    T -->|轻量级锁| V[CAS恢复Mark Word]
    V -->|成功| W[解锁完成]
    V -->|失败| X[已升级为重量级锁<br>唤醒等待线程]
    T -->|重量级锁| Y[释放锁并唤醒线程]

五、各锁状态对比

锁状态优点缺点适用场景
偏向锁无竞争时开销极小竞争时撤销成本高单线程重复访问
轻量级锁线程不阻塞，响应快自旋消耗CPU低竞争、同步块小
重量级锁不消耗CPU，公平线程切换开销大高竞争、同步块大

六、实践建议

  1. 减少锁粒度：缩小同步代码块范围
  2. 避免锁竞争：使用并发容器、线程局部变量等
  3. 监控锁状态：借助JVM参数监控锁升级情况
  4. 考虑替代方案：在高并发场景下可考虑 ReentrantLock

七、总结

synchronized的锁升级机制体现了 JVM 在性能优化上的智慧：

  • 从低开销锁开始，按需升级
  • 在响应时间和吞吐量间寻求平衡
  • 适应不同竞争程度的并发场景

理解这一机制有助于我们编写更高效的并发程序，并在出现性能问题时能够准确诊断和优化。

本文基于 JDK 8+ 版本编写，具体实现细节可能因 JVM 厂商和版本有所不同。

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