⭐ 题目日期：

美团 - 2025/4/4

📝 题解：

synchronized 是 Java 中实现线程同步的核心机制，其底层原理涉及 对象锁、JVM 字节码指令 和 操作系统级互斥。以下是其工作原理的详细分析：

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1. 基本概念：锁与监视器（Monitor）

• 锁的本质：每个 Java 对象都与一个 监视器锁（Monitor） 关联，synchronized 通过竞争对象的 Monitor 实现同步。
• Monitor 结构：
  • Entry Set：存放等待锁的线程。
  • Owner：持有锁的线程。
  • Wait Set：存放调用 wait() 后释放锁的线程。

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2. 底层实现：JVM 字节码

• 修饰代码块：

  • 编译后会在代码块前后插入 monitorenter 和 monitorexit 指令。
  • 示例：

    public void method() {
        synchronized(obj) {
            // 代码块
        }
    }

    // 字节码反编译结果：
    monitorenter   // 尝试获取锁
    ...             // 同步代码
    monitorexit    // 释放锁

• 修饰方法：

  • 方法会添加 ACC_SYNCHRONIZED 标志，JVM 在方法调用时自动加锁。

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3. 锁的存储位置：对象头（Mark Word）

• 对象内存结构：

  • 每个对象头部包含 Mark Word（存储哈希码、GC 年龄、锁状态等）。
  • 锁状态标志位：标识当前对象的锁状态（无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁）。

• Mark Word 结构（以 64 位 JVM 为例）：

  锁状态	Mark Word 内容
  无锁	哈希码 + 分代年龄 + 未使用位
  偏向锁	线程ID + Epoch + 分代年龄 + 偏向锁标志
  轻量级锁	指向栈中锁记录的指针
  重量级锁	指向操作系统互斥量（Mutex）的指针

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4. 锁升级优化（Java 6+）

为了减少锁操作的开销，JVM 采用 锁膨胀 策略，按竞争激烈程度逐步升级锁：

1. 偏向锁（Biased Locking）：

   • 场景：无实际竞争，只有一个线程访问。
   • 原理：在 Mark Word 中记录线程ID，后续无需 CAS 操作。
   • 优化：消除无竞争下的同步开销。

2. 轻量级锁（Lightweight Locking）：

   • 场景：多个线程交替执行，无并发竞争。
   • 原理：
     • 线程栈中创建 锁记录（Lock Record）。
     • 通过 CAS 将 Mark Word 复制到锁记录，并尝试将对象头指向锁记录。
   • 失败时：升级为重量级锁。

3. 重量级锁（Heavyweight Locking）：

   • 场景：高并发竞争。
   • 原理：依赖操作系统提供的 互斥量（Mutex），线程进入阻塞状态。
   • 缺点：涉及用户态到内核态切换，开销较大。

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5. 锁的获取与释放流程

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6. 关键机制

• 可重入性：

  • 同一线程可重复获取同一把锁（通过计数器实现）。
  • 示例：

    synchronized void a() { b(); }
    synchronized void b() {} // 允许重入

• 自旋优化：

  • 轻量级锁竞争失败时，线程不会立即阻塞，而是 自旋等待（循环尝试获取锁）。
  • 避免线程切换开销（适用于锁占用时间短的场景）。

• 适应性自旋（Java 6+）：

  • 根据历史自旋成功率动态调整自旋时间。

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7. 与其他锁的对比

	synchronized	ReentrantLock
实现方式	JVM 内置，自动管理	JDK 实现，需手动释放
锁类型	非公平锁（默认）	可配置公平/非公平
条件变量	通过 wait()/notify()	支持多个 Condition
性能	优化后接近 ReentrantLock	高竞争下更灵活

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8. 使用注意事项

1. 锁对象的选择：

   • 避免锁字符串常量、基本类型包装类（易引起意外竞争）。
   • 推荐使用私有不可变对象（如 private final Object lock = new Object()）。

2. 锁粒度控制：

   • 尽量缩小同步代码块范围，减少竞争。

3. 避免死锁：

   • 按固定顺序获取多把锁，或使用超时机制（如 tryLock）。

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总结

synchronized 通过对象头中的 Mark Word 和 JVM 的 锁升级机制（偏向锁→轻量级锁→重量级锁）实现高效同步。其设计目标是 在无竞争时尽量减少开销，高竞争时保证正确性。理解其底层原理有助于编写更高效、安全的并发代码。