Java synchronized 底层原理：字节码、对象头与锁升级

2. JVM 底层实现：对象头与 Monitor

monitorenter 和 monitorexit 指令背后的具体实现，关键在于 Java 对象头 和 Monitor。

2.1 Java 对象头（Mark Word）

在 HotSpot 虚拟机中，每个 Java 对象在内存中的布局分为三部分：对象头、实例数据、对齐填充。其中对象头是理解锁的关键。

对象头包含两部分信息：

1. Mark Word：存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID 等。它是实现锁的'主战场'。
2. Klass Pointer：对象指向它的类元数据的指针。

Mark Word 是一个非固定的动态数据结构，会根据对象的状态复用自己的存储空间。在 32 位 JVM 下，最后 2 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。

2.2 Monitor（管程/监视器锁）

JVM 为每个对象都关联了一个内置的 Monitor。monitorenter 指令的本质就是尝试去获取这个对象对应的 Monitor。

一个 Monitor 由以下部分组成：

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

工作流程：

1. 线程执行到 monitorenter 时，尝试进入 Monitor。
2. 如果 Owner 为 null，则成为 Owner，锁计数器 +1。
3. 如果已是 Owner（可重入锁），再次进入，计数器 +1。
4. 如果 Owner 是其他线程，则进入 EntryList，进入 BLOCKED 状态。
5. 执行 monitorexit 时，计数器 -1。减到 0 时释放 Monitor，EntryList 中的线程开始竞争。

3. 锁的升级与优化

在 Java 6 之前，synchronized 是重量级锁，依赖操作系统 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，路径是单向的：无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁。

3.1 偏向锁

• 目的：在没有竞争的情况下，消除整个同步操作。假设锁总是由同一线程多次获得。
• 原理：线程访问同步块时，将偏向的线程 ID 存储在对象头和栈帧中。后续进入无需 CAS 操作，只需测试 Mark Word 是否指向当前线程。
• 撤销：一旦出现竞争，偏向模式结束，持有线程挂起，升级为轻量级锁。

注意：在 Java 15 之后，偏向锁默认禁用，但理解其原理依然重要。

3.2 轻量级锁

• 目的：在竞争不激烈（'近交替执行'）时，避免重量级锁的性能消耗。
• 加锁：
  1. 在当前线程栈帧创建 锁记录。
  2. 将对象头 Mark Word 复制到锁记录（Displaced Mark Word）。
  3. 使用 CAS 将对象头替换为指向锁记录的指针。
     • 成功：获得锁，Mark Word 最后 2 位设为 00。
     • 失败：存在竞争，需自旋或升级。
• 解锁：使用 CAS 将 Displaced Mark Word 恢复回对象头。若失败，说明锁已升级。

3.3 重量级锁

• 触发条件：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 存储指向重量级锁（Monitor）的指针。
  • 等待线程进入 EntryList，进入 BLOCKED 状态。
  • 依赖操作系统底层 Mutex Lock，成本最高。

4. 硬件层面：内存屏障与 CAS

synchronized 的语义保证了原子性、可见性和有序性。

• 可见性与有序性：通过插入 内存屏障 实现。同步块开始时加 Load Barrier，结束时加 Store Barrier，强制刷新工作内存并禁止指令重排序。
• 原子性：简单的 monitorenter/monitorexit 由 Monitor 保证。锁升级过程中的状态变更（如轻量级锁获取）通过 CAS 操作实现。CAS 是一条 CPU 原子指令（cmpxchg），保证了'比较 - 交换'操作的原子性。