Java并发编程实战深入剖析synchronized与Lock的底层实现原理

## Java并发编程实战：深入剖析synchronized与Lock的底层实现原理

synchronized关键字底层实现机制

synchronized是Java中最基本的同步机制，它通过JVM内置的监视器锁（Monitor）实现线程同步。在字节码层面，synchronized通过monitorenter和monitorexit两个指令来实现，分别对应锁的获取和释放操作。当线程进入同步代码块时，会尝试获取对象的监视器锁，成功获取后其他线程将被阻塞，直到锁被释放。

对象头与Mark Word

每个Java对象在内存中都由对象头、实例数据和对齐填充组成。对象头中的Mark Word是 synchronized 实现的关键，它存储了对象的哈希码、分代年龄和锁标志位等信息。在32位JVM中，Mark Word长度为32位，根据不同锁状态会存储不同的内容。

锁升级过程

为了平衡性能与安全性，Java 6引入了锁升级机制，包含四种状态：无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。当没有竞争时，使用偏向锁减少同步开销；当有轻微竞争时，升级为轻量级锁（自旋锁）；当竞争激烈时，最终升级为重量级锁，此时未获取锁的线程将进入阻塞状态。

Lock接口的底层实现原理

Lock接口提供了比synchronized更灵活的锁操作，其典型实现类ReentrantLock基于AbstractQueuedSynchronizer（AQS）框架构建。AQS使用一个FIFO队列来管理获取锁失败的线程，并通过一个volatile修饰的int类型state变量来表示同步状态。

AQS核心机制

AQS采用模板方法模式，提供了acquire()和release()等模板方法，子类通过重写tryAcquire()和tryRelease()方法来实现具体的同步语义。当线程尝试获取锁时，如果state为0表示锁可用，通过CAS操作将其设为1并设置当前线程为独占者；如果获取失败，则将线程封装成节点加入等待队列。

公平锁与非公平锁

ReentrantLock支持公平锁和非公平锁两种模式。公平锁严格按照FIFO顺序分配锁，避免了线程饥饿但性能较低；非公平锁允许插队，新请求的线程可以直接尝试获取锁，提高了吞吐量但可能导致某些线程长时间等待。

synchronized与Lock的性能对比

在低竞争环境下，synchronized由于JVM的优化（如锁消除、锁粗化、自适应自旋等）性能与Lock相当甚至更优；在高竞争环境下，Lock提供了更细粒度的控制和更好的性能，特别是Condition接口提供了更灵活的等待/通知机制。

适用场景分析

synchronized适用于简单的同步场景，代码简洁且自动释放锁，不易出错；Lock适用于需要高级功能（如尝试非阻塞获取锁、可中断获取锁、超时获取锁等）的复杂同步场景，提供了更好的灵活性和扩展性。

底层内存语义与可见性保证

两者都通过内存屏障保证可见性和有序性。synchronized通过MonitorEnter和MonitorExit指令建立happens-before关系；Lock通过volatile变量state的读写和UNSAFE的屏障方法实现类似效果，确保锁释放前的操作对后续获取锁的线程可见。