在Java中，synchronized關鍵字是用于實現線程同步的重要機制，它通過內置鎖（Monitor）確保多個線程對共享資源的安全訪問。
1. synchronized 的基本使用與實現原理
使用方式
- 修飾實例方法：鎖是當前對象實例。
public synchronized void method() { ... } - 修飾靜態方法：鎖是當前類的Class對象。
public static synchronized void staticMethod() { ... } - 同步代碼塊：需顯式指定鎖對象（任意對象均可）。
synchronized (lockObject) { ... }
底層實現
- Monitor 機制：每個對象關聯一個Monitor（監視器鎖），通過
monitorenter和monitorexit字節碼指令實現加鎖/解鎖。- 線程進入同步塊時，執行
monitorenter嘗試獲取鎖。 - 退出同步塊時，執行
monitorexit釋放鎖。
- 線程進入同步塊時，執行
2. 對象頭與鎖狀態標記
每個Java對象在內存中分為三部分：對象頭（Header）、實例數據（Instance Data） 和 對齊填充（Padding）。對象頭中的Mark Word字段記錄了鎖狀態信息。
Mark Word 結構（以64位JVM為例）
| 鎖狀態 | 存儲內容 |
|---|---|
| 無鎖 | 對象的哈希碼、分代年齡、是否偏向鎖（1 bit） |
| 偏向鎖 | 偏向線程ID、偏向時間戳、分代年齡、鎖標志位（01） |
| 輕量級鎖 | 指向線程棧中鎖記錄（Lock Record）的指針，鎖標志位（00） |
| 重量級鎖 | 指向Monitor對象（重量級鎖）的指針，鎖標志位（10） |
3. 鎖的升級過程
JVM根據線程競爭情況動態調整鎖狀態，以減少性能開銷。鎖升級的路徑為：
無鎖 → 偏向鎖 → 輕量級鎖 → 重量級鎖
(1) 偏向鎖（Biased Locking）
- 適用場景：單線程反復進入同步塊，無實際競爭。
- 核心機制：
- 對象首次被線程訪問時，將線程ID寫入Mark Word，進入偏向模式。
- 后續該線程進入同步塊時，無需執行CAS操作，直接檢查線程ID是否匹配。
- 優勢：消除無競爭時的同步開銷。
- 撤銷條件：
- 其他線程嘗試獲取鎖時，觸發偏向鎖撤銷。
- 需要等待全局安全點（STW），檢查原線程是否存活或已釋放鎖。
(2) 輕量級鎖（Lightweight Locking）
- 適用場景：多線程交替執行同步塊，競爭不激烈。
- 核心機制：
- 線程在棧幀中創建鎖記錄（Lock Record），將對象Mark Word復制到鎖記錄中。
- 通過CAS將Mark Word替換為指向鎖記錄的指針。成功則獲取鎖；失敗則膨脹為重量級鎖。
- 優勢：避免線程阻塞，通過自旋（CAS）減少內核態切換開銷。
- 自旋優化：
- 適應性自旋：JVM根據歷史自旋成功率動態調整自旋次數。
(3) 重量級鎖（Heavyweight Locking）
- 適用場景：多線程高并發競爭。
- 核心機制：
- Monitor對象（C++實現）管理線程競爭，包含
_owner（持有者）、_EntryList（阻塞隊列）、_WaitSet（等待隊列）。 - 未獲取鎖的線程進入
_EntryList，由操作系統調度（涉及用戶態到內核態切換）。
- Monitor對象（C++實現）管理線程競爭，包含
- 特點：線程阻塞，響應慢但公平。
4. 鎖升級的觸發條件
| 步驟 | 觸發條件 |
|---|---|
| 無鎖 → 偏向鎖 | 對象首次被線程訪問，JVM啟用偏向鎖（默認開啟，Java 15后需手動開啟）。 |
| 偏向鎖 → 輕量級鎖 | 其他線程嘗試獲取鎖，導致偏向鎖撤銷。 |
| 輕量級鎖 → 重量級鎖 | CAS自旋失敗（超過閾值或競爭激烈），觸發鎖膨脹（Inflate）。 |
5. 鎖的不可逆性與性能權衡
- 不可逆性：鎖升級后無法降級，因為降級會增加復雜性和性能損耗。
- 性能權衡：
- 偏向鎖：適合單線程場景，但撤銷成本高（需STW）。
- 輕量級鎖：適合低競爭場景，依賴CAS自旋。
- 重量級鎖：適合高競爭場景，犧牲響應時間保證穩定性。
6. Monitor 的詳細結構
Monitor對象（如ObjectMonitor）包含以下關鍵字段：
_owner：當前持有鎖的線程。_recursions：鎖的重入次數。_EntryList：等待獲取鎖的線程隊列。_WaitSet：調用wait()后進入等待狀態的線程隊列。
7. 實際案例：鎖升級過程
場景：兩個線程交替執行同步塊
- 初始狀態：對象無鎖。
- 線程A進入同步塊：升級為偏向鎖，Mark Word記錄線程A的ID。
- 線程B嘗試進入：觸發偏向鎖撤銷，升級為輕量級鎖，線程B通過CAS競爭。
- 線程B CAS失敗：自旋后仍未成功，升級為重量級鎖，線程B進入
_EntryList阻塞。
8. 最佳實踐
- 避免過度同步：減少鎖粒度（如使用
ConcurrentHashMap）。 - 優先使用輕量級工具：如
ReentrantLock、StampedLock（需手動管理）。 - 監控鎖競爭：通過JVM參數（
-XX:+PrintFlagsFinal）或工具（Arthas）分析鎖狀態。
