Synchronized 是Java中最常用的內置鎖機制，用于確保多線程環境下的同步。其底層原理涉及到JVM（Java虛擬機）和字節碼指令。以下是 synchronized 的底層工作原理的詳細介紹：

1. 基本概念

• 對象頭（Object Header）：每個Java對象在內存中都有一個對象頭，包含了鎖標志位（Lock Word）。
• Monitor：每個對象都有一個與之關聯的監視器（Monitor），監視器是由C++實現的對象，它主要用于實現對象的同步機制。

2. 鎖的狀態

鎖的狀態在對象頭中的鎖標志位表示，可以有以下幾種狀態：

• 無鎖（Unlocked）：沒有線程持有鎖。
• 偏向鎖（Biased Lock）：當一個線程第一次訪問一個對象時，對象頭中的鎖標志位會變為偏向鎖，表明該線程持有鎖。
• 輕量級鎖（Lightweight Lock）：當第二個線程嘗試獲取鎖時，偏向鎖會升級為輕量級鎖。
• 重量級鎖（Heavyweight Lock）：當輕量級鎖競爭失敗時，會升級為重量級鎖。重量級鎖會阻塞所有嘗試獲取鎖的線程，直到持有鎖的線程釋放鎖。

3. synchronized 的實現

synchronized 關鍵字可以用于方法或代碼塊中。其底層實現如下：

3.1 同步代碼塊

synchronized (this) {// critical section
}

同步代碼塊的實現依賴于字節碼指令 monitorenter 和 monitorexit：

• monitorenter：當線程進入同步代碼塊時執行，嘗試獲取對象的Monitor鎖。
• monitorexit：當線程退出同步代碼塊時執行，釋放對象的Monitor鎖。

每個Monitor對象都包含一個計數器（Owner Count）和一個指向持有該鎖的線程的指針（Owner）。

3.2 同步方法

public synchronized void method() {// critical section
}

同步方法使用 ACC_SYNCHRONIZED 標志。當方法調用時，JVM會自動獲取對象的Monitor鎖，方法執行完畢后釋放鎖。

4. 鎖的升級與膨脹

• 偏向鎖：偏向鎖會在無競爭的情況下將鎖偏向第一個獲取它的線程。當同一個線程再次進入同步塊時，不需要進行同步操作。
• 輕量級鎖：當第二個線程嘗試獲取偏向鎖時，會觸發偏向鎖升級為輕量級鎖。這時會在當前線程棧幀中創建一個鎖記錄（Lock Record），并將對象頭中的鎖標志位指向這個鎖記錄。
• 重量級鎖：如果鎖競爭激烈，輕量級鎖會升級為重量級鎖，涉及到操作系統的互斥量（mutex）實現。重量級鎖會導致線程阻塞和上下文切換。

5. 底層實現示例

以下是一個簡單的示例，展示了同步代碼塊和同步方法在字節碼層面的實現：

同步代碼塊

public void syncBlock() {synchronized (this) {System.out.println("Inside synchronized block");}
}

編譯后的字節碼：

0: aload_0
1: dup
2: astore_1
3: monitorenter
4: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
7: ldc           #3                  // String Inside synchronized block
9: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
12: aload_1
13: monitorexit
14: goto          22
17: astore_2
18: aload_1
19: monitorexit
20: aload_2
21: athrow
22: return

同步方法

public synchronized void syncMethod() {System.out.println("Inside synchronized method");
}

編譯后的字節碼：

0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc           #3                  // String Inside synchronized method
5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return

總結

Synchronized 通過對象頭中的鎖標志位和Monitor對象實現了多線程的同步機制。通過鎖的升級與膨脹策略，它在無競爭的情況下盡可能減少同步開銷，而在競爭激烈的情況下保證線程安全。理解其底層原理有助于更好地使用 synchronized，從而編寫出高效的并發程序。