Java synchronized 底层原理：从字节码到锁升级详解

这里有两个关键点：

1. 两个 monitorexit：第一个用于正常退出，第二个隐藏在异常处理逻辑中（类似 finally），确保即使同步块内抛出异常，锁也能被正确释放。
2. 同步方法：对于 synchronized 修饰的方法，常量池中会设置 ACC_SYNCHRONIZED 标志。调用时线程先获取锁再执行方法体，结束后自动释放。

JVM 底层实现：对象头与 Monitor

monitorenter 和 monitorexit 背后的核心在于 Java 对象头 和 Monitor。

1. Java 对象头（Mark Word）

在 HotSpot 虚拟机中，对象内存布局分为对象头、实例数据和对齐填充。对象头中的 Mark Word 存储了对象的运行时数据，包括哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志等。它是实现锁机制的主战场。

Mark Word 是一个动态数据结构，会根据对象状态复用存储空间。其中最后两位（lock）标识了对象的锁状态，锁的升级过程就体现在这 2 位的变化上。

2. Monitor（管程/监视器锁）

JVM 为每个对象关联了一个内置的 Monitor。monitorenter 的本质就是尝试获取这个对象对应的 Monitor。

Monitor 内部主要包含三部分：

• Owner：当前持有该 Monitor 的线程。初始为 null。
• EntryList：处于 Blocked 状态的等待锁线程队列。
• WaitSet：处于 Waiting 状态的调用了 Object.wait() 方法的线程队列。

工作流程：

1. 线程执行 monitorenter 时，检查 Owner 是否为 null。若是，则成为 Owner，锁计数器 +1。
2. 若已是 Owner（可重入），计数器再次 +1。
3. 若 Owner 是其他线程，当前线程进入 EntryList 阻塞，直到 Owner 释放锁。
4. 执行 monitorexit 时，计数器 -1。减至 0 时释放 Monitor，唤醒 EntryList 中的线程竞争。

锁的升级与优化

Java 6 之前，synchronized 依赖操作系统的 Mutex Lock，涉及用户态到内核态切换，开销大。Java 6 引入了锁升级机制，路径为单向的：无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁。

1. 偏向锁

• 目的：消除无竞争情况下的同步开销。假设锁总是由同一线程获得。
• 原理：线程访问同步块时，将线程 ID 写入对象头 Mark Word。后续该线程再次进入无需 CAS 操作，直接测试 Mark Word 即可。
• 撤销：一旦有另一线程竞争，偏向模式结束，持有线程挂起，升级为轻量级锁。

注意：Java 15 后偏向锁默认禁用，但理解原理仍有价值。

2. 轻量级锁

• 目的：应对竞争不激烈（近交替执行）的场景。
• 加锁：在线程栈帧创建 锁记录，将对象头 Mark Word 复制到锁记录（Displaced Mark Word）。尝试用 CAS 将对象头替换为指向锁记录的指针。成功则获得锁，Mark Word 标记为 00。
• 解锁：CAS 将 Displaced Mark Word 恢复回对象头。若失败，说明锁已升级，需唤醒线程。

3. 重量级锁

• 触发：轻量级锁竞争失败且自旋一定次数后，膨胀为重量级锁。
• 特点：Mark Word 存储指向 Monitor 的指针。等待线程进入 EntryList 阻塞，依赖操作系统 Mutex Lock，成本最高。

硬件层面：内存屏障与 CAS

synchronized 保证了原子性、可见性和有序性。

• 可见性与有序性：通过插入 内存屏障 实现。同步块开始加 Load Barrier，结束加 Store Barrier，强制刷新工作内存并禁止指令重排序。
• 原子性：锁升级过程中的状态变更通过 CAS（Compare-And-Swap）指令保证。这是 CPU 层面的原子操作（如 cmpxchg）。