Java synchronized 底层原理

文章目录 隐藏

Java 中的 synchronized 关键字用于实现线程之间的同步，保证共享资源在多线程环境下被安全地访问。其底层原理涉及多个步骤和机制，依赖于 JVM 内置的锁机制和对象头结构。这里是它的底层工作原理及锁的相关细节：

每个 Java 对象都包含一个对象头（Object Header），其中存储了锁的信息。Java 对象头包含两个主要部分：

在未加锁状态下，Mark Word 包含对象的哈希值和 GC 标记信息。当一个线程对该对象加锁时，Mark Word 被修改以保存线程持有锁的信息。

Mark Word 中记录了锁的状态，锁的状态在运行时是可以升级的，主要有以下几种：

偏向锁（Biased Locking）：线程第一次加锁时将锁偏向该线程，如果再次加锁且没有其他线程争用时，锁依然保持偏向状态，无需做额外操作，开销极小。偏向锁使用了 Mark Word 中线程 ID 来记录持有锁的线程。
轻量级锁（Lightweight Locking）：如果有多个线程争用，锁会升级为轻量级锁。轻量级锁使用 CAS（Compare-And-Swap）操作来尝试获取锁，通过自旋等待方式避免线程阻塞。
重量级锁（Heavyweight Locking）：当争用激烈且轻量级锁自旋失败时，锁会升级为重量级锁，此时线程会进入阻塞状态，重量级锁使用操作系统的互斥量（Mutex）机制。

加锁（锁的获取）：
1. 无锁状态：当线程首次尝试获取锁时，JVM 会将对象头的 Mark Word 设置为偏向锁的状态，并将持有锁的线程 ID 写入 Mark Word 中。
2. 轻量级锁：如果偏向锁失败（有多个线程竞争锁），锁会升级为轻量级锁。JVM 为当前线程创建一个栈帧中的锁记录，将对象头的 Mark Word 拷贝到锁记录中，然后尝试用 CAS 操作将对象头指向锁记录。
3. 重量级锁：当轻量级锁的 CAS 自旋操作多次失败时，锁会升级为重量级锁。此时，线程会被阻塞，直到锁被释放。
解锁（锁的释放）：
1. 线程持有锁时，当退出同步代码块，JVM 会根据锁的当前状态，恢复对象头的 Mark Word。偏向锁和轻量级锁时，会将锁信息恢复到解锁前的状态。
2. 如果锁升级为重量级锁，解锁时会唤醒被阻塞的线程。

Java 中 Mark Word 的锁状态可以通过其中的几个位来标志不同状态：

当一个线程尝试获取锁时，会检查对象头中的 Mark Word。如果发现对象头中的标志位已经被修改（例如，存在另一个线程持有偏向锁或轻量级锁），线程会通过 CAS 操作竞争锁，并根据不同的锁状态进行升级或阻塞。

synchronized 关键字在字节码层面会转换为两条指令：

这两条指令与 JVM 内部的对象头和 Mark Word 状态紧密相关，JVM 会使用这些指令来进行加锁和解锁操作。

锁的获取过程：synchronized 使用对象的 Mark Word 来记录锁的状态，通过偏向锁、轻量级锁和重量级锁的升级来优化性能。
锁的同步机制：线程通过 MonitorEnter 和 MonitorExit 指令实现同步操作，并通过 CAS 自旋、锁状态标志以及系统调用等机制来协调多线程访问共享资源。

这种分级锁策略极大地提高了 Java 的并发性能，减少了线程竞争时的上下文切换开销。