Java synchronized 底层原理：字节码、对象头与锁升级

synchronized 是 Java 中最基础的同步机制，其底层实现涉及字节码指令、JVM 内存模型以及操作系统层面的互斥锁。理解它的工作原理，对于排查并发问题和优化性能至关重要。

1. 字节码层面：monitorenter 和 monitorexit

当编译器处理 synchronized 关键字时，会根据上下文生成特定的字节码指令。无论是修饰代码块还是方法，核心都在于锁的获取与释放。

同步代码块

对于 synchronized(object) { ... } 结构，编译器会在同步块前后分别插入 monitorenter 和 monitorexit 指令。值得注意的是，为了应对异常，编译器通常会生成两个 monitorexit 指令：一个用于正常退出，另一个包裹在异常处理逻辑中（类似 finally），确保即使发生异常锁也能被正确释放。

public void method() {
    synchronized (obj) {
        System.out.println("hello");
    }
}

反编译后的字节码大致如下：

public void method();
Code:
   0: aload_0
   1: getfield      #2                  // Field obj:Lcom/example/Obj;
   4: dup
   5: astore_1
   6: monitorenter                          // 尝试获取锁
   7: getstatic     #3                    // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
  10: ldc           #4                    // String hello
  12: invokevirtual #5                    // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
  15: aload_1
  16: monitorexit                           // 正常退出，释放锁
  17: goto          25
  20: astore_2
  21: aload_1
  22: monitorexit                           // 异常退出，释放锁
  23: aload_2
  24: athrow
  25: return

同步方法

对于 synchronized 修饰的方法，常量池中会设置 ACC_SYNCHRONIZED 标志。调用该方法的指令（如 invokevirtual）在执行前会检查此标志。若存在，线程需先尝试获取锁（实例方法为 this，静态方法为 Class 对象），执行完方法体后自动释放锁。

2. JVM 底层实现：对象头与 Monitor

monitorenter 和 monitorexit 的具体行为由 JVM 管理，核心依赖于 Java 对象头 和 Monitor。

2.1 Java 对象头（Mark Word）

在 HotSpot 虚拟机中，对象内存布局包含对象头、实例数据和对齐填充。其中对象头是关键，它包含两部分信息：

1. Mark Word：存储对象运行时的元数据，如哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志、偏向线程 ID 等。它是锁状态变化的'主战场'。
2. Klass Pointer：指向类元数据的指针，确定对象类型。

Mark Word 是一个动态数据结构，根据对象状态复用存储空间。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。