并发编程原理与实战（二十七）深入剖析synchronized底层基石ObjectMonitor与对象头Mark Word

上一篇文章中，我们深入分析了synchronized底层原理实现，其中分析了什么是对象的监视器‌，如何查看对象监视器‌的状态信息、显式隐式获取监视器锁等问题。本文继续深入分析synchronized底层原理实现，解决以下几个问题。

（1）synchronized以什么作为互斥？

（2）synchronized既然可重入，那么重入计数记录在哪里？

（3）持有监视器锁的线程信息记录在哪里？

（4）其他抢锁的等待者记录在哪里？

（5）java对象（锁对象）如何关联Monitor对象？

深入Monitor

Monitor实现并发协同实现原理

synchronized既然是一个独占锁，就像数据库的主键字段不能重复，同一个文件夹下文件名不能重复，那么它的互斥属性是怎么实现的？

synchronized基于Monitor实现，而Monitor是一种编程语言层面的高级的同步机制，用于在多线程环境下管理共享资源的访问，其核心机制包括互斥与同步两部分。Monitor的互斥属性通过内置的互斥锁（Mutex）实现，保证同一时刻仅有一个线程能进入Monitor内部（临界区）执行操作，其他线程需在等待队列中等待。前面我们已经知道，synchronized与wait/notify实现的并发协同是基于条件判断实现的，这个正是基于Monitor的条件变量实现线程间的协作，Monitor内部维护多个队列（如入口队列、条件队列）管理线程状态，确保并发协同的正确性。

互斥锁（Mutex，全称 ‌Mutual Exclusion‌）是操作系统层面用于控制多线程对共享资源访问的同步机制，其核心目标是确保同一时刻仅有一个线程能进入临界区。

综上所述，我们得出这个依赖关系：synchronized—>Monitor—>Mutex。

JVM ObjectMonitor结构体

synchronized是JVM层面上的锁，而JVM是c/c++写的，在JDK的源码中有对象监视器的结构体ObjectMonitor的定义，ObjectMonitor是HotSpot虚拟机中实现Java对象监视器的核心数据结构。在JDK的源码路径下：

jdk-master\jdk-master\src\hotspot\share\runtime\objectMonitor.cpp
jdk-master\jdk-master\src\hotspot\share\runtime\objectMonitor.hpp

我们摘取其中的构造函数进行分析：

ObjectMonitor::ObjectMonitor() {_header       = NULL;      // 存储关联对象的Mark Word初始值_count        = 0;         // 记录锁的重入次数_waiters      = 0;         // 等待线程计数器（如调用wait()的线程）_recursions   = 0;         // 锁的重入深度_object       = NULL;      // 关联的Java对象指针_owner        = NULL;      // 持有锁的线程指针_cxq          = NULL;      // 竞争锁失败的线程栈（FILO结构）_EntryList    = NULL;      // 阻塞线程的双向链表（锁分配缓冲区）_WaitSet      = NULL;      // 调用wait()的线程等待队列_WaitSetLock  = 0;         // 保护_WaitSet操作的锁_SpinFreq     = 0;         // 自旋锁优化参数_SpinClock    = 0;         // 自旋锁时间控制
}

如上所示，其构造函数初始化了以下关键字段：

1、基本状态字段‌

（1）header：存储锁对象的Mark Word原始值，初始为NULL。
（2）count：记录线程获取锁的次数，初始为0。
（3）waiters：等待线程计数器，初始为0。
（4）_recursions：锁重入次数，初始为0。

2、线程管理队列‌

（1）cxq：竞争锁失败的线程单向链表（FILO栈结构），初始为NULL。
（2）EntryList：阻塞线程的双向循环链表，作为锁分配的缓冲区，初始为NULL。
（3）_WaitSet：调用wait()的线程等待队列，初始为NULL。

3、所有权标识‌

（1）owner：指向持有锁的线程，初始为NULL。
（2）object：关联的Java对象指针，初始为NULL。

4、辅助控制字段‌

（1）WaitSetLock：保护WaitSet操作的锁，初始为0。
（2）SpinFreq和SpinClock：*自旋锁优化相关参数，初始为0。

该构造函数通过清零所有字段完成初始化，为后续锁竞争（如monitorenter指令）和线程同步（如wait/notify）提供基础支持。其设计体现了Monitor的互斥与同步机制，通过队列管理实现线程阻塞和唤醒。

对象头

结构体ObjectMonitor各个字段的定义解答了文章开头的第1、第2、第3、第4个问题，还剩“java对象（锁对象）如何关联Monitor对象？”这个问题没有解决。

我们注意到，结构体ObjectMonitor中的_header字段存储关联对象的Mark Word初始值。那么什么是Mark Word？要了解Mark Word得先了解java的对象头。

Java对象头是JVM实现对象内存管理、锁机制和GC的关键数据结构，其组成与锁状态动态关联。Java对象核心结构由以下几部分组成。

组成部分	大小（64位JVM）	功能描述
‌Mark Word‌	8字节	动态存储对象的运行时数据，包括哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、偏向线程ID、锁指针等
‌Klass Pointer‌	4/8字节	指向方法区中对象的类元数据，用于确定对象所属类型
‌Array Length‌	4字节（可选）	仅数组对象存在，记录数组长度

Mark Word与锁优化

Mark Word部分存储着锁状态信息，而锁状态有无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁这几种状态。所以对象头的Mark Word是synchronized锁机制的关键实现。锁状态的变化遵循‌不可逆‌的过程：‌无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁。

（1）无锁状态。对象刚创建且未被任何线程加锁时处于无锁状态。锁标志位为01。

（2）偏向锁。首次有线程访问同步块时，升级为偏向锁；第一个线程访问同步块，且无竞争；消除单线程重复加锁的开销。锁标志位变为101。

（3）轻量级锁。第二个线程尝试获取锁（发生竞争），偏向锁撤销并升级为轻量级锁。锁标志位变为00。

（4）重量级锁。当CAS自旋失败（默认10次）或竞争加剧（如第三个线程加入），升级为重量级锁。对象头指向操作系统级互斥量（monitor），锁标志位变为10。

锁标志位状态转换示意流程：

无锁 (01) │↓ (首次单个线程访问)
偏向锁 (101) │↓ (多个线程访问，竞争发生)
轻量级锁 (00) │↓ (多个线程访问，CAS自旋失败或竞争加剧)
重量级锁 (10)

在《并发编程原理与实战（二十三）StampedLock应用实战与各种锁性能对比分析》这篇文章中，我们对比了包括synchronized在内的四种锁的性能，其中synchronized的表现最好。从上述锁标志位状态转换过程可以看出，根据竞争激烈程度自动调整锁策略，这其实是一个synchronized锁优化的结果。

线程执行synchronized(obj)时，JVM会检查obj对象的Mark Word锁标志位。当锁需要升级为重量级锁时，则创建或关联已有的ObjectMonitor，并将Mark Word更新为指向该Monitor的指针。通过这个过程实现java对象（锁对象）与Monitor对象的关联。

总结

本文深入分析了synchronized底层实现依赖，分析了JVM ObjectMonitor结构体的组成，最后分析了java对象头的Mark Word组成部分，简要分析了synchronized锁优化过程以及java对象（锁对象）与Monitor对象的关联的过程。synchronized的底层实现涉及的内容很多，就拿对象头‌Mark Word来讲，其组成部分就有很多项，我们的主要目的还是围绕问题来分析，在此我们不做更多深入的分析。