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Java并发编程：synchronized机制

news 来源：原创 2025/5/16 13:14:08

1. 简介

synchronized 是 Java 中最基本的一种同步机制，是 Monitor 机制（监视器机制或管程机制）在 JVM 中的实现，使用 synchronized 时关联的 Java 对象被称为监视器对象，而被 synchronized 保护的代码被称为同步代码块（或者临界代码区），同一时刻只能有一个线程执行同步代码块，synchronized 有四个特性：

原子性：被 synchronized 保护的代码块的执行式原子的；
可见性：在同步代码块中被修改的共享变量会在锁释放之前刷新到主存当中，保证资源变量的可见性；
有序性：Java允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是指令重排并不会影响单线程的顺序，它影响的是多线程并发执行的顺序性，但是被 synchronized 保护的同步代码块，在执行过程中实际上被串行化，同一时刻只允许有一个线程执行同步代码块，因此 synchronized 可以保证同步代码块的有序性；
可重入性：synchronized 使用的锁是可重入的，当一个线程试图操作一个由其他线程持有的对象锁的临界资源时，将会处于阻塞状态，但当一个线程再次请求自己持有对象锁的临界资源时，这种情况属于重入锁，通俗一点讲就是说一个线程拥有了锁仍然还可以重复申请锁。

2. Monitor 机制简介

Monitor 机制主要包含两种机制

互斥同步机制：由 Monitor 机制同步的临界区，线程之间只能进行互斥访问，每一时刻只有一个线程可以进入临界区；
等待唤醒机制：又叫条件机制，由于 Monitor 机制采取互斥同步机制，因此，为了防止线程等待其他资源而长时间占有锁，Monitor 机制还包含条件机制，线程可以在某条件未发生时，先挂起阻塞并释放锁给其他线程，等待条件发生时再被唤醒；

实现互斥同步机制需要互斥锁，实现条件机制需要条件对象来提供提供等待通知功能。

3. 监视器对象

前文介绍了 synchronized 是 JVM 中的 Monitor 机制，而管程机制需要互斥锁和条件对象，在 JVM 中互斥锁和条件对象的角色都由 Java 对象来扮演，作为互斥锁和条件对象的 JAVA 对象被称为监视器对象，任何 Java 对象都可以作为监视器对象，监视器对象同时承担互斥锁和条件对象的角色，我们看看具体是如何实现的。

Java 对象头

在 JVM 中，Java 对象包含三个部分：对象头、实例数据、对齐填充，其中对象头一般由 8 个字节 64 个比特位组成，其中前 4 个字节 32 个比特位是标记域（Mark Word），Mark Word 里默认存储对象的 HashCode、分代年龄和锁标记位，其中最后两个比特位就是锁标记位，Mark Word 里面的内容会随着锁标记位的变化而变化。

监视器对象的锁策略

在 synchronized 管程机制中，监视器对象扮演了锁的角色，在 JDK1.6 之前，监视器的互斥锁只采用了重量级锁策略，而在 JDK1.6 之后，JVM对监视器锁进行了优化，采用混合锁策略并且实现了锁膨胀机制，我们先介绍各种锁策略。

重量级锁：使用底层操作提供的互斥量来实现锁，比如 linux 操作系统的 mutex，由于重量级锁需要使用底层操作系统提供的资源，因此需要进行系统调用，从而产生用户态到内核态的切换，而且竞争锁失败的线程会被操作系统挂起，等待锁释放；当对象头中的锁标记位为 0b10 时，对象头中 Mark Word 其他比特位的内容变成指向系统互斥量的指针。
轻量级锁：使用进程内的私有变量 + CAS操作来实现锁，比如锁标记位为 0b00 时，表示使用轻量级锁，轻量级锁通过基于 CAS 操作的同步算法来修改对象头的 Mark Word 域，修改成功，说明当前线程获取锁，如果修改失败，说明发生了竞争，于重量级锁不同，轻量级锁竞争失败后，需要调用方对竞争失败的线程进行同步处理，JVM 采取了自旋重试的策略。
偏向锁：偏向锁假定将来只有第一个申请锁的线程会使用锁，因此将第一个获取锁的的线程ID通过 CAS 记录在 Mark Word 中，如果记录成功，则偏向锁获取成功，将锁标记位改为 0b01 ，之后如果申请锁的线程ID等于偏向锁绑定的线程ID，就可以直接进入临界区。