synchronized黑科技：Java同步关键字背后的层层魔法-优快云博客

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从厕所门锁到JVM的奇妙旅程

想象一个公共厕所的门锁进化史：

普通门锁：每次有人进去就挂"使用中"牌子（基本同步）
智能门锁：自动识别VIP用户、记录等待队列、自适应优化（JVM的synchronized优化）

Java的synchronized关键字就是这样一套不断进化的同步机制，从JDK1.0到现在的Java17，它已经经历了多次革命性升级！

同步的三大实现阶段

1. 重量级锁时代（JDK1.0-1.5）

public synchronized void method() { 
    // 早期直接关联操作系统mutex
    // 用户态→内核态切换，性能杀手！
}

2. 偏向锁/轻量级锁（JDK1.6）

Object lock = new Object();
synchronized(lock) { 
    // JVM自动选择最优锁策略
    // 无竞争→偏向锁 | 轻微竞争→轻量级锁
}

3. 完全自适应的现代锁（JDK15+）

// JVM根据运行情况动态选择：
// - 偏向锁（Biased Locking）
// - 轻量级锁（Thin Lock）
// - 重量级锁（Inflated Monitor）
// - 甚至完全消除锁（锁消除优化）

对象头里的秘密（64位JVM）

|----------------------------------------------------------------------------------|
| Mark Word (64 bits)                  | Klass Word (64 bits)                      |
|--------------------------------------|-------------------------------------------|
| unused:25 | identity_hashcode:31     | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |
|           | cms_free:1               |                                           |
|--------------------------------------|-------------------------------------------|

lock标志位：
- 00：轻量级锁
- 01：无锁/偏向锁
- 10：重量级锁
- 11：GC标记

锁的四种状态转换

在这里插入图片描述

1. 偏向锁（单线程优化）

// 第一个获取锁的线程会"偏向"这个线程
// 只需在对象头记录线程ID（类似"VIP专属"）

2. 轻量级锁（CAS自旋）

// 当有轻微竞争时：
// - 在栈帧创建Lock Record
// - 用CAS尝试获取锁（避免OS调用）

3. 重量级锁（终极方案）

// 竞争激烈时升级为：
// - 通过操作系统的mutex实现
// - 线程进入等待队列
// - 涉及用户态→内核态切换

同步代码的字节码真相

public void test();
  Code:
     0: aload_0
     1: dup
     2: astore_1
     3: monitorenter   // 进入同步块
     4: aload_1
     5: monitorexit    // 正常退出
     6: goto          14
     9: astore_2
    10: aload_1
    11: monitorexit    // 异常退出
    12: aload_2
    13: athrow
    14: return

5大编译器优化策略

1. 锁消除（Lock Elision）

// JVM发现不可能存在共享竞争时
StringBuffer sb = new StringBuffer(); // 局部变量
sb.append("Hello"); // 自动去除同步操作

2. 锁粗化（Lock Coarsening）

// 连续同步块合并
synchronized(lock) { /* 操作1 */ }
synchronized(lock) { /* 操作2 */ }
// 优化为→
synchronized(lock) { /* 操作1+操作2 */ }

3. 自适应自旋（Adaptive Spinning）

// 根据历史成功率动态调整自旋次数
while (!tryLock()) {
    if (自旋超过阈值) {
        挂起线程;
        break;
    }
    短暂自旋;
}

4. 偏向锁延迟启用

// 默认延迟4秒后启用偏向锁（-XX:BiasedLockingStartupDelay=4000）
// 避免启动阶段大量锁竞争导致无效偏向

5. 逃逸分析的辅助

// 如果对象不会逃逸当前线程
// 可以完全去掉同步操作

与ReentrantLock的性能对比

场景	synchronized	ReentrantLock
单线程无竞争	偏向锁≈0开销	仍有CAS开销
低竞争	轻量级锁（CAS）	CAS竞争
高竞争	重量级锁（OS调度）	AQS队列+自旋
可中断性	不支持	支持
公平性	完全非公平	可配置

最佳实践指南

优先使用同步块：

// 优于同步方法（缩小范围）
synchronized(lockObj) {
    // 临界区
}

避免锁静态对象：

// 危险！锁住Class对象影响全局
synchronized(MyClass.class) { ... }

注意锁顺序（防死锁）：

// 所有线程按固定顺序获取锁
synchronized(lockA) {
    synchronized(lockB) { ... }
}

监控锁竞争：

# 查看JVM锁情况
jstack <pid> | grep -A 10 "BLOCKED"

未来：Loom项目的颠覆

// 虚拟线程（纤程）下的新同步模式
synchronized(lock) {
    // 虚拟线程挂起不会阻塞OS线程！
}

一句话总结

synchronized就像Java世界的"智能变色龙"——从偏向锁的VIP通道到重量级锁的终极方案，它总能找到最高效的同步方式，是现代JVM优化技术的集大成者！ 🦎✨