详细聊聊 Synchronized，以及锁的升级过程

在Java中，synchronized关键字是用于实现线程同步的重要机制，它通过内置锁（Monitor）确保多个线程对共享资源的安全访问。

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1. synchronized 的基本使用与实现原理

使用方式

• 修饰实例方法：锁是当前对象实例。

  public synchronized void method() { ... }
  

• 修饰静态方法：锁是当前类的Class对象。

  public static synchronized void staticMethod() { ... }
  

• 同步代码块：需显式指定锁对象（任意对象均可）。

  synchronized (lockObject) { ... }
  

底层实现

• Monitor 机制：每个对象关联一个Monitor（监视器锁），通过monitorenter和monitorexit字节码指令实现加锁/解锁。
  • 线程进入同步块时，执行monitorenter尝试获取锁。
  • 退出同步块时，执行monitorexit释放锁。

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2. 对象头与锁状态标记

每个Java对象在内存中分为三部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data） 和 对齐填充（Padding）。对象头中的Mark Word字段记录了锁状态信息。

Mark Word 结构（以64位JVM为例）

锁状态	存储内容
无锁	对象的哈希码、分代年龄、是否偏向锁（1 bit）
偏向锁	偏向线程ID、偏向时间戳、分代年龄、锁标志位（01）
轻量级锁	指向线程栈中锁记录（Lock Record）的指针，锁标志位（00）
重量级锁	指向Monitor对象（重量级锁）的指针，锁标志位（10）

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3. 锁的升级过程

JVM根据线程竞争情况动态调整锁状态，以减少性能开销。锁升级的路径为：
无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁

(1) 偏向锁（Biased Locking）

• 适用场景：单线程反复进入同步块，无实际竞争。
• 核心机制：
  • 对象首次被线程访问时，将线程ID写入Mark Word，进入偏向模式。
  • 后续该线程进入同步块时，无需执行CAS操作，直接检查线程ID是否匹配。
• 优势：消除无竞争时的同步开销。
• 撤销条件：
  • 其他线程尝试获取锁时，触发偏向锁撤销。
  • 需要等待全局安全点（STW），检查原线程是否存活或已释放锁。

(2) 轻量级锁（Lightweight Locking）

• 适用场景：多线程交替执行同步块，竞争不激烈。
• 核心机制：
  • 线程在栈帧中创建锁记录（Lock Record），将对象Mark Word复制到锁记录中。
  • 通过CAS将Mark Word替换为指向锁记录的指针。成功则获取锁；失败则膨胀为重量级锁。
• 优势：避免线程阻塞，通过自旋（CAS）减少内核态切换开销。
• 自旋优化：
  • 适应性自旋：JVM根据历史自旋成功率动态调整自旋次数。

(3) 重量级锁（Heavyweight Locking）

• 适用场景：多线程高并发竞争。
• 核心机制：
  • Monitor对象（C++实现）管理线程竞争，包含_owner（持有者）、_EntryList（阻塞队列）、_WaitSet（等待队列）。
  • 未获取锁的线程进入_EntryList，由操作系统调度（涉及用户态到内核态切换）。
• 特点：线程阻塞，响应慢但公平。

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4. 锁升级的触发条件

步骤	触发条件
无锁 → 偏向锁	对象首次被线程访问，JVM启用偏向锁（默认开启，Java 15后需手动开启）。
偏向锁 → 轻量级锁	其他线程尝试获取锁，导致偏向锁撤销。
轻量级锁 → 重量级锁	CAS自旋失败（超过阈值或竞争激烈），触发锁膨胀（Inflate）。

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5. 锁的不可逆性与性能权衡

• 不可逆性：锁升级后无法降级，因为降级会增加复杂性和性能损耗。
• 性能权衡：
  • 偏向锁：适合单线程场景，但撤销成本高（需STW）。
  • 轻量级锁：适合低竞争场景，依赖CAS自旋。
  • 重量级锁：适合高竞争场景，牺牲响应时间保证稳定性。

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6. Monitor 的详细结构

Monitor对象（如ObjectMonitor）包含以下关键字段：

• _owner：当前持有锁的线程。
• _recursions：锁的重入次数。
• _EntryList：等待获取锁的线程队列。
• _WaitSet：调用wait()后进入等待状态的线程队列。

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7. 实际案例：锁升级过程

场景：两个线程交替执行同步块

1. 初始状态：对象无锁。
2. 线程A进入同步块：升级为偏向锁，Mark Word记录线程A的ID。
3. 线程B尝试进入：触发偏向锁撤销，升级为轻量级锁，线程B通过CAS竞争。
4. 线程B CAS失败：自旋后仍未成功，升级为重量级锁，线程B进入_EntryList阻塞。

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8. 最佳实践

• 避免过度同步：减少锁粒度（如使用ConcurrentHashMap）。
• 优先使用轻量级工具：如ReentrantLock、StampedLock（需手动管理）。
• 监控锁竞争：通过JVM参数（-XX:+PrintFlagsFinal）或工具（Arthas）分析锁状态。

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