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Synchronized的实现原理：深入理解Java线程同步机制

news 2025/9/23 13:11:05

前言

在多线程编程中，保证线程安全是一个至关重要的问题。Java提供了synchronized关键字来实现线程同步，它是Java中最基本、最常用的同步机制。本文将深入探讨synchronized的实现原理，帮助读者更好地理解其工作机制和使用场景。

1. synchronized的基本用法

在深入原理之前，我们先回顾一下 synchronized 的三种基本用法：

1.1 同步实例方法

public synchronized void method(){// 同步代码
}

1.2 同步静态方法

public static synchronized void staticMethod(){// 同步方法
}

1.3 同步代码块

public void method(){synchronized(this){// 同步代码}
}

或者使用类对象：

public void method(){synchronized(MyClass.class){// 同步代码}
}

2. synchronized 的实现原理

synchronized 实现原理主要基于对象头和 Monitor（监视器）机制。

2.1 对象头与Mark Word

在 Hotspot 虚拟机中，一个Java对象的存储结构，在内存中的存储布局分为 3块区域：

对象头（Header）
实例数据（Instance Data）
对齐填充（Padding）

对象头（Object Header）又包括两部分信息：

Mark Word：存储对象的哈希码、分代年龄、锁标志位等
Klass Pointer（32位）：指向对象类型数据的指针（指向对象所属类的元数据（Class对象），JVM 通过该指针确定对象是哪个类的实例）

指针压缩（Compressed OOPs）

作用：64位JVM中，通过压缩列表将 Klass Pointer 从8字节压缩为4字节，减少内存占用。

开启方式：默认开启（-XX:+UseCompressedOops），堆内存超过32GB时自动关闭指针压缩，恢复为8字节。

Mark Word 在不同锁状态下的结构如下：

锁状态	25bit	4bit	1bit（是否偏向锁）	2bit（锁标志位）
无锁	对象的 hashCode	对象分代年龄	0	01
偏向锁	线程ID	Epoch	1	01
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针			00
重量级锁	指向 Monitor 的指针			10
GC标记	空			11

2.2 Monitor （监视器）机制

synchronized 的实现依赖于对象内部的监视器锁（Monitor）。每个Java对象都与一个Monitor相关联，当线程尝试获取对象的锁时，实际上是在尝试获取对象关联的 Monitor 的所有权。

Monitor的主要组成部分：

当一个线程尝试访问被 synchronized 保存的代码块时，其实相当于，线程通过 monitorenter 指令尝试获取 monitor 的所有权：

获取 Monitor ：线程会首先检查对象的 Mark Word 是否指向当前线程的锁记录（轻量级锁），或是否指向 Monitor 对象（重量级锁）。
竞争锁：如果 Monitor 已被其他线程占用，则当前线程会被阻塞，进入 Entry List 队列等待。
释放锁：持有锁的线程执行完同步代码块后，会释放 Monitor ，并唤醒 Entry List 中的等待线程重新竞争。

2.3 锁的升级过程

为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，Java SE 1.6 引入了锁升级机制，锁的状态会随着不同的线程竞争情况，逐渐升级。

无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁

2.3.1 偏向锁

目的：在无竞争的情况下减少同步开销。

工作原理：

当线程第一次访问同步块时，会在对象头和栈帧中记录偏向的线程ID
以后该线程进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁
如果有其他线程尝试竞争锁，偏向模式宣告结束

2.3.2 轻量级锁

目的：在没有多线程竞争的前提下，减少传统重量级锁的性能消耗

加锁过程：

在代码进入同步代码块时，如果同步对象没有被锁定，虚拟机将当前线程的栈帧各种建立一个锁记录（Lock Record）空间
将对象头的 Mark Word 复制到锁记录中（DisPlaced Mark Word）
尝试使用CAS将对象头的 Mark Word 替换为指向锁记录的指针
如果成功，当前线程获得锁；如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程尝试使用自旋来获取锁

解锁过程：

使用CAS操作将 DisPlaced Mark Word 替换回对象头
如果成功，表示没有竞争发生；如果失败表示存在竞争，锁会膨胀为重量级锁

2.3.3 重量级锁

当轻量级锁竞争激烈时，会升级为重量级锁。此时，未获得锁的线程会被阻塞，等待操作系统调度，涉及到用户态到内核态的切换，性能开销较大

3. synchronized 的底层实现

3.1 字节码层面

从字节码角度看，synchronized 同步语句块的实现使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令：

public void test(){synchronized(this){System.out.println("Hello World");}
}

对应的字节码：

0: aload_0
1: dup
2: astore_1
3: monitorenter      // 进入同步块
4: getstatic #2
7: ldc #3
9: invokevirtual #4
12: aload_1
13: monitorexit       // 正常退出同步块
14: goto 22
17: astore_2
18: aload_1
19: monitorexit       // 异常退出同步块
20: aload_2
21: athrow
22: return

可以看到，编译器会自动生成一个异常处理器，确保即使同步块中抛出异常，锁也能被正确释放。

对于同步方法，方法的访问标志中会设置 ACC_SYNCHRONIZED 标志，当方法调用时，调用指令会检查该标志。