Java synchronized 关键字详解：从字节码到对象头与锁升级

为了在极小的空间内存储尽可能多的信息，Mark Word 被设计成一个非固定的动态数据结构。它会根据对象的状态复用自己的存储空间。下图清晰地展示了 32 位 JVM 下 Mark Word 在不同状态下的结构：

关键点：注意最后 2 位（lock），它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（管程）。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。当 Owner 释放锁时，JVM 会从 EntryList 中挑选一个线程来成为新的 Owner。
• WaitSet：处于 Waiting 状态的、调用了 Object.wait() 方法的线程队列。这些线程在等待其他线程的通知（notify/notifyAll）。

工作流程：

1. 当线程执行到 monitorenter 指令时，会尝试进入该对象的 Monitor。
2. 如果 Monitor 的 Owner 为 null，则该线程成功成为 Owner，并将锁的计数器 +1。
3. 如果该线程已经是 Owner（可重入锁），它再次进入，锁计数器再次 +1。
4. 如果 Owner 是其他线程，则当前线程会进入 EntryList，进入 BLOCKED 状态，直到 Owner 线程释放锁。
5. 当线程执行 monitorexit 指令时，锁计数器 -1。当计数器减到 0 时，线程释放 Monitor，不再担任 Owner。然后，EntryList 中的线程会开始竞争锁。

3. 锁的升级与优化

在 Java 6 之前，synchronized 是一个重量级锁，性能较差，因为它依赖于操作系统的 Mutex Lock（互斥锁），需要进行用户态到内核态的切换，耗时较长。

为了减少这种性能开销，Java 6 引入了锁升级机制。synchronized 的锁状态从低到高分为四种，升级路径是单向的：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。假设在大多数情况下，锁不仅不存在竞争，而且总是由同一线程多次获得。
• 原理：当一个线程访问同步块时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储偏向的线程 ID。以后该线程再次进入和退出同步块时，不需要进行 CAS 操作来加锁和解锁，只需简单测试一下对象头的 Mark Word 里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。
• 撤销：一旦出现另一个线程来尝试竞争锁，偏向模式就宣告结束。持有偏向锁的线程会被挂起，JVM 会撤销偏向锁，然后升级为轻量级锁。

注意：在 Java 15 之后，偏向锁被标记为废弃并默认禁用，因为维护其带来的收益已不如从前。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'）的情况下，避免直接使用重量级锁带来的性能消耗。
• 加锁过程：
  1. 在当前线程的栈帧中创建一个名为 锁记录 的空间。
  2. 将对象头的 Mark Word 复制到锁记录中（称为 Displaced Mark Word）。
  3. 线程尝试使用 CAS 操作将对象头的 Mark Word 替换为指向锁记录的指针。
     • 如果成功，当前线程获得锁。并将对象 Mark Word 的最后 2 位设置为 00，表示轻量级锁状态。
     • 如果失败，表示存在竞争（另一个线程也修改了 Mark Word）。
• 解锁过程：
  • 使用 CAS 操作将 Displaced Mark Word 替换回对象头。
  • 如果成功，则同步过程顺利完成。
  • 如果失败，说明锁已经升级，需要释放锁的同时唤醒被挂起的线程。

3.3 重量级锁

• 触发条件：当轻量级锁竞争失败后，会自旋尝试获取锁一定次数（自旋锁）。如果自旋后依然失败，锁就会膨胀为重量级锁。
• 特点：
  • 此时 Mark Word 中存储的是指向重量级锁（Monitor）的指针。
  • 等待锁的线程都会进入 EntryList，进入 BLOCKED 状态。
  • 依赖于操作系统底层的 Mutex Lock，需要进行用户态到内核态的切换，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：是通过在编译器和处理器层面插入 内存屏障 来实现的。在同步块开始时加 Load Barrier，在同步块结束时加 Store Barrier，强制将工作内存中的修改刷新到主内存，并禁止指令重排序。
• 原子性：对于简单的 monitorenter/monitorexit，由 Monitor 保证。对于锁升级过程中的状态变更（如轻量级锁的获取），则是通过 CAS 操作实现的。CAS 是一条 CPU 原子指令（cmpxchg），它保证了'比较 - 交换'操作的原子性。

补充：锁状态判断

我们可以通过 Mark Word 中的 lock 标识来判断是哪一种锁的等级：

• 后三位是 001 表示无锁
• 后三位是 101 表示偏向锁
• 后两位是 00 表示轻量级锁
• 后两位是 10 表示重量级锁