---

Synchronized底层实现深度解析

一、核心数据结构与机制

1.1 对象头结构

每个Java对象头包含Mark Word（64bit）和Klass Pointer（32bit/64bit），其中Mark Word存储锁状态信息：

| 64bit Mark Word | 32bit Klass Pointer |
|-----------------|---------------------|
| 锁状态(25bit)   | 分代年龄(4bit)      |
| 哈希码(31bit)   | 锁指针(64bit)       |

• 锁标志位：2bit标识锁状态（01未锁定/00轻量级锁/10重量级锁/11 GC标记）
• 分代年龄：记录对象经历的GC次数，超过阈值进入老年代

1.2 Monitor机制

每个对象关联一个Monitor（监视器锁），其核心结构包含：

• EntryList：等待获取锁的线程队列
• WaitSet：调用wait()进入等待的线程集合
• Owner：当前持有锁的线程指针

当线程执行monitorenter指令时：

1. 检查Mark Word锁标志位
2. 无竞争则CAS设置Owner为当前线程
3. 存在竞争则加入EntryList阻塞等待

二、锁状态升级机制

2.1 锁升级流程

graph TD
    A[无锁] -->|首次访问| B[偏向锁]
    B -->|竞争出现| C[轻量级锁]
    C -->|自旋失败| D[重量级锁]

2.2 偏向锁（Biased Locking）

• 实现原理：在Mark Word中记录线程ID（23bit）和Epoch（2bit）
• 适用场景：单线程重复访问同步代码块
• 性能优势：加锁仅需1次CAS操作（约20ns）
• 撤销条件：
  • 其他线程竞争锁
  • 调用hashCode()方法
  • 超过20次撤销后批量重偏向

2.3 轻量级锁（Lightweight Locking）

• 实现原理：通过CAS将对象头替换为指向线程栈中Lock Record的指针
• 自旋策略：
  • 初始自旋10次（JDK1.6）
  • JDK1.8改为自适应自旋（根据历史成功率动态调整）
• 失败条件：CAS超过自旋次数或检测到竞争

2.4 重量级锁（Heavyweight Locking）

• 实现机制：依赖操作系统Mutex实现线程阻塞/唤醒
• 性能损耗：用户态→内核态切换（约10μs）
• 触发条件：多线程持续竞争锁

三、关键优化技术

3.1 锁消除（Lock Elision）

通过逃逸分析判断锁对象是否被其他线程访问，若无竞争则消除同步：

// 示例：局部变量同步会被消除
public void method() {
    Object lock = new Object();
    synchronized(lock) { // 编译器优化后无同步操作
        // 仅本线程访问的代码
    }
}

3.2 锁粗化（Lock Coarsening）

合并相邻同步块减少锁获取次数：

// 优化前
for(int i=0; i<100; i++) {
    synchronized(lock) { doA(); }
}
// 优化后
synchronized(lock) {
    for(int i=0; i<100; i++) doA();
}

3.3 自适应自旋（Adaptive Spinning）

动态调整自旋次数：

• 成功获取锁则增加自旋次数（最大100次）
• 失败则减少自旋次数（最小0次）

四、底层指令与字节码

4.1 指令分析

• monitorenter：尝试获取锁，计数器+1
• monitorexit：释放锁，计数器-1
• 异常处理：同步代码块异常时自动调用monitorexit

4.2 字节码示例

public synchronized void method() {
    // 业务逻辑
}

反编译后可见：

ACC_SYNCHRONIZED

五、性能调优参数

参数	作用	默认值
-XX:+UseBiasedLocking	启用偏向锁	true
-XX:BiasedLockingStartupDelay=5000	延迟偏向锁生效时间	4000
-XX:-UseSpinning	禁用自旋锁	false
-XX:PreBlockSpin=10	设置初始自旋次数	10

六、性能对比数据

锁状态	平均获取时间	适用场景
偏向锁	20ns	单线程重复访问
轻量级锁	50ns	多线程交替访问
重量级锁	10μs	真实多线程竞争

七、演进历程

• JDK1.6前：纯重量级锁，性能瓶颈明显
• JDK1.6：引入锁分级机制（偏向→轻量→重量）
• JDK1.8：优化自旋策略，支持分段锁
• JDK15+：偏向锁默认禁用，优化重量级锁

通过深入理解这些底层机制，我们可以：

1. 合理选择锁策略（如避免在高频竞争场景使用偏向锁）
2. 通过JVM参数优化锁性能
3. 利用锁消除/粗化等编译器优化提升效率