Java 中 synchronized 的实现原理

最新推荐文章于 2025-06-24 17:21:58 发布

dj_master

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分类专栏：多线程、并发文章标签： java 开发语言

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Java 中 synchronized 的实现依托 JVM 的监视器锁（Monitor）机制 与 对象头（Object Header）结构，并随 JDK 版本演进优化，引入锁升级策略（偏向锁、轻量级锁、重量级锁）。以下从字节码基础、对象头、锁升级、Monitor 原理等维度详细拆解：

一、字节码层面的基础实现

synchronized 修饰 代码块 和方法时，字节码实现有差异，但核心依赖 monitorenter/monitorexit 指令或隐式标记：

1. 同步代码块（显式指定锁对象）

编译后，代码块前后会插入 monitorenter（加锁）和 monitorexit（解锁）字节码指令：

monitorenter：线程执行此指令时，尝试获取锁对象的 Monitor 所有权。若成功，Monitor 计数器 +1；若失败，线程阻塞等待。
monitorexit：执行此指令时，Monitor 计数器 -1。当计数器归 0，锁被释放，唤醒等待线程。

示例（伪字节码）：

synchronized (obj) { 
    // 业务逻辑
}
// 编译后字节码逻辑：
monitorenter  // 尝试获取 obj 的锁
// 业务逻辑字节码
monitorexit   // 释放 obj 的锁

2. 同步方法（隐式锁）

实例方法：编译后方法的访问标志会增加 ACC_SYNCHRONIZED 标记，无需显式 monitorenter/monitorexit。JVM 调用方法时，自动检查该标记，尝试获取对象实例的 Monitor。
静态方法：同样用 ACC_SYNCHRONIZED 标记，但锁对象是类的 Class 对象（如 Xxx.class ），保证静态方法的线程安全。

二、对象头与 Mark Word 的关键作用

Java 对象在内存中布局分 对象头、实例数据、对齐填充，其中 对象头的 Mark Word 是 synchronized 实现锁的核心载体：

1. Mark Word 存储结构

Mark Word 存储对象的哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志、持有锁的线程 ID 等信息。不同锁状态（无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁）下，Mark Word 内容动态变化：

锁状态	Mark Word 存储内容（简化）	锁标志位
无锁	对象哈希码、分代年龄等	01
偏向锁	偏向线程 ID、分代年龄、偏向标志	01（偏向）
轻量级锁	指向线程栈中锁记录的指针	00
重量级锁	指向 Monitor 对象的指针	10

2. 为什么任意对象可作为锁？

因每个对象都有 Mark Word，可存储锁状态、持有锁的线程 ID 等信息，天然支持作为锁的载体。这也是 synchronized (任意对象) 语法的底层依据。

三、锁升级策略（JDK 1.6+ 优化）

为解决早期 synchronized 直接使用“重量级锁”导致的性能问题，JDK 1.6 引入 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁 的升级流程，依据竞争程度动态调整：

1. 偏向锁（无竞争时优化）

适用场景：单线程重复获取同一锁（无竞争）。
加锁逻辑：
1. 线程第一次访问同步块时，JVM 标记对象头的 偏向锁标志（设为 1 ），并记录当前线程 ID 到 Mark Word。
2. 后续该线程再次进入同步块，直接对比 Mark Word 中的线程 ID：若匹配，无需 CAS（比较并交换），直接进入代码块（类似“指纹识别” ）。
优点：消除无竞争场景下的 CAS 开销，提升单线程重复加锁效率。
升级触发：若其他线程尝试竞争锁（检测到 Mark Word 中线程 ID 与当前线程不匹配），则撤销偏向锁，升级为轻量级锁。

2. 轻量级锁（轻度竞争时优化）

适用场景：多线程交替竞争锁（竞争不激烈，无线程阻塞）。
加锁逻辑：
1. 线程在栈帧中创建 锁记录（Lock Record），存储当前对象头的 Mark Word 副本。
2. 通过 CAS 操作，尝试将对象头的 Mark Word 替换为“指向锁记录的指针”：
  - 成功：获取轻量级锁，进入代码块。
  - 失败：说明有竞争，JVM 自旋（循环重试 CAS ）尝试获取锁；若自旋超过阈值（或竞争加剧），升级为重量级锁。
优点：用 CAS 替代操作系统级别的线程阻塞，减少上下文切换开销。
解锁逻辑：通过 CAS 将对象头的 Mark Word 恢复为原始值（锁记录中的副本），若失败说明有竞争，需唤醒等待线程。

3. 重量级锁（激烈竞争时兜底）

适用场景：多线程高并发竞争，存在线程阻塞等待。
加锁逻辑：
1. JVM 为对象分配 Monitor 对象（操作系统级别的同步机制，非 Java 对象），并将对象头的 Mark Word 指向 Monitor 地址。
2. 线程竞争锁时，若 Monitor 的 Owner 不为空（锁被占用），则进入 Entry List 阻塞等待。

Monitor 结构：

Monitor {
    Owner: 持有锁的线程（如线程 A 获得锁，Owner = A ）
    Recursion Count: 重入次数（同一线程重入锁时，计数器 +1 ）
    Entry List: 等待获取锁的线程队列（竞争失败的线程进入此处阻塞 ）
    Wait Set: 调用 wait() 后等待唤醒的线程队列（与锁释放无关，是条件等待 ）
}