【Java面试笔记：进阶】16.synchronized底层如何实现？什么是锁的升级、降级？

在 Java 中，synchronized 关键字的底层实现依赖于 对象头（Object Header） 和 监视器锁（Monitor） 机制，并通过 锁的状态升级（Lock Escalation） 来优化同步性能。

1. synchronized 的底层实现

synchronized 的同步机制基于 Monitor 对象，它是同步的基本实现单元。
通过 monitorenter 和 monitorexit 指令实现同步逻辑。

1. 对象头与 Mark Word

• 1.对象头结构：
  每个 Java 对象在内存中由三部分组成：

  • Mark Word（标记字段）：存储对象自身的运行时数据（如哈希码、锁状态等）。
  • Klass Pointer（类型指针）：指向类的元数据信息。
  • 数组长度（仅数组对象有）。

• 2.Mark Word 内容：
  Mark Word 的长度为 32/64 位（取决于 JVM 位数），其内容根据锁状态动态变化：

  锁状态	存储内容
  无锁	对象哈希码、分代年龄等
  偏向锁	持有偏向锁的线程 ID、偏向时间戳
  轻量级锁	指向栈中锁记录（Lock Record）的指针
  重量级锁	指向监视器（Monitor）的指针

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2. 监视器锁（Monitor）

• 1.Monitor 结构：
  每个对象关联一个 Monitor，其核心字段包括：

  • Owner：持有锁的线程。
  • EntryList：等待获取锁的阻塞线程队列。
  • WaitSet：调用 wait() 后进入等待状态的线程队列。

• 2.锁的获取流程：

  1. 线程进入 synchronized 代码块时，尝试通过 CAS 操作修改 Mark Word。
  2. 若成功，则获取锁；若失败，则根据锁状态进行 锁膨胀（升级为更高等级的锁）。

2. 锁的升级与降级

• 锁的三种状态：
  • 偏斜锁（Biased Locking）：默认情况下，当没有竞争时使用。通过 CAS 操作在对象头的 Mark Word 部分设置线程 ID，表示对象偏向当前线程。
  • 轻量级锁：当有其他线程尝试获取锁时，偏斜锁会撤销并升级为轻量级锁。轻量级锁依赖 CAS 操作尝试获取锁。
  • 重量级锁：如果轻量级锁竞争激烈，则进一步升级为重量级锁，依赖操作系统内部的互斥锁。
• 锁升级过程：
  • 无竞争时使用偏斜锁。
  • 有其他线程尝试获取锁时，偏斜锁撤销并