Java锁的本质

Java的内置锁（synchronized）的本质是对象锁，是因为它的实现完全依赖于JVM中每个对象内置的隐藏数据结构（对象头）和关联的监视器（Monitor）机制。

对象头

Java对象头是每个Java对象在内存中开头的一部分固定结构的数据，它是JVM自动为每个对象添加的元数据，用于存储对象的运行时信息。

内存布局

对象头的主要组成部分：

1. Mark Word（标记字）
   • 存储对象自身的运行时数据
     • 锁状态
     • 指向锁(监视器)的指针
   • 在32位JVM中占4字节，64位JVM中占8字节
   • 内容会随着对象状态变化而变化
2. Klass Pointer（类型指针）
   • 指向对象类元数据的指针
   • 在32位JVM和开启指针压缩的64位JVM中占4字节
   • 在未开启指针压缩的64位JVM中占8字节

每一个对象能够通过getClass()来获取类的信息，就是因为Klass pointer指向了方法区对应的类

用处

对象头是JVM高效管理Java对象的基石，它支撑了Java的多个核心特性：

1. 垃圾回收

   • 通过对象头中的GC年龄（分代年龄）实现分代垃圾回收
   • 标记阶段利用对象头记录对象存活状态

2. 锁机制

   • synchronized关键字的实现基础
   • 记录锁状态：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁
   • 支持锁升级和降级

3. 存储Hash码

监视器

监视器（Monitor）是Java中实现线程同步的核心机制与模型。在Java中，每个对象（Object）都天生自带一个监视器，它由三部分组成：

1. 锁（Lock/Mutex） ：这是房间的门锁。synchronized关键字就是用来获取这个锁的。一个线程拿到锁，才能进入同步代码块或方法（进入房间）。
2. 入口等待队列（Entry Set） ：当锁被其他线程占用时，想进来的线程会在这个队列里排队等待。
3. 条件等待队列（Wait Set） ：已经进入房间（持有锁）的线程，如果发现运行条件不满足（例如，任务队列为空），可以调用wait()方法主动释放锁，然后进入这个等待队列休眠。直到其他线程调用notify()或notifyAll()将其唤醒，移动到入口等待队列，它才有机会重新去竞争锁。

解决并发访问的共享问题

• 原子性（Atomicity） ：通过互斥锁，确保一个线程在执行关键代码段时，不会被其他线程打断，从而保证操作是“一气呵成”的。
• 可见性（Visibility） ：线程在释放锁（退出synchronized块）前，会强制将工作内存中的变量修改刷新到主内存；在获取锁时，会清空工作内存，从主内存重新加载变量。这保证了共享变量的修改对所有线程立即可见。

主内存：可以理解为“共享内存”。它存储了所有线程共享的实例字段、静态字段和构成数组对象的元素。主内存是物理内存的一种抽象。

工作内存：可以理解为线程的“私有缓存”。每个线程都有自己的工作内存，它存储了该线程对主内存共享变量的副本，以及线程私有的局部变量、方法参数等。工作内存是CPU高速缓存和寄存器的抽象。

如果所有线程都直接读写主内存，速度会非常慢。工作内存作为缓存，极大地提升了线程执行速度。由于每个线程都在自己的“工作内存”中操作变量副本，这就导致了一个线程对共享变量的修改，可能无法立即被其他线程看到（可见性问题），并且编译器和处理器可能对指令进行重排序（有序性问题）。JMM通过定义一套规则（如volatile、synchronized、happens-before规则）来协调工作内存与主内存的交互，从而解决这些问题，为程序员提供清晰的内存可见性保证。

• 有序性（Ordering） ：synchronized块内的代码虽然可能发生指令重排序，但由于“一个线程持有锁”的语义，能确保其他线程观察到的执行结果与顺序执行一致。

Java锁

在Java中，每一个对象（每一个new出来的对象，包括Class对象）都与一个内置的、隐式的锁（称为监视器锁或Monitor Lock ）相关联。

当线程进入一个synchronized修饰的方法或者代码中，它实质上是尝试获取这个synchronized关联的那个对象的监视器锁。如果获取成功，就持有锁并执行代码；如果失败，就会被阻塞，直到锁被释放。