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synchronized 是 Java 中实现线程同步的核心机制，其底层实现依赖于 JVM 的监视器（Monitor）和对象头（Object Header）结构。以下是其实现机制的详细解析：

一、核心实现原理

Monitor 监视器机制
• 每个 Java 对象关联一个 Monitor（监视器），用于控制线程对临界区的访问。
• Monitor 通过 monitorenter 和 monitorexit 指令实现锁的获取与释放。当线程进入同步代码块时，会尝试获取对象的 Monitor；若 Monitor 被其他线程持有，则当前线程进入阻塞状态。
对象头与锁状态
• 对象头包含 Mark Word（标记字段），存储锁状态、哈希码、GC分代年龄、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等信息。
• 锁状态通过 Mark Word 中的标记位动态切换，支持无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁四种模式。

二、锁升级机制（JDK 1.6+）

JVM 通过锁升级优化性能，根据竞争程度动态调整锁策略：

1. 无锁（Non-locked）

• 状态标识：Mark Word 中锁标志位为 01，偏向锁标志位为 0。
• 适用场景：对象刚创建时，或无线程竞争的长期无锁状态。
• 实现细节：
• 线程通过 CAS 操作直接修改对象头 Mark Word 获取锁。
• 无额外同步开销，适用于单线程访问场景。

2. 偏向锁（Biased Locking）

• 状态标识：Mark Word 中锁标志位为 01，偏向锁标志位为 1。
• 核心机制：
• 首次加锁：线程首次进入同步块时，JVM 通过 CAS 将线程 ID 写入 Mark Word，标记为偏向锁。
• 重复访问：同一线程再次进入时，直接比对 Mark Word 中的线程 ID，无需同步操作。
• 撤销条件：当其他线程尝试竞争时，触发偏向锁撤销（需全局安全点暂停线程），升级为轻量级锁。
• 优化点：
• 减少无竞争场景的同步开销（如单线程循环内多次加锁）。
• JDK 15+ 默认禁用偏向锁（通过 -XX:-UseBiasedLocking 可手动启用）。

3. 轻量级锁（Lightweight Locking）

• 状态标识：Mark Word 中锁标志位为 00，指向线程栈中的锁记录（Lock Record）。
• 核心机制：
• 加锁：线程在栈帧中创建 Lock Record，通过 CAS 将 Mark Word 指向该记录。
• 自旋锁（Spin Lock）：
◦ 实现：CAS 失败时，线程在用户态循环尝试获取锁（默认自旋 10 次，JDK 12+ 支持自适应自旋）。
◦ 优势：避免线程阻塞和上下文切换，适用于短暂竞争场景。
◦ 限制：自旋时间过长会浪费 CPU 资源，需结合自适应策略动态调整。
• 升级条件：自旋失败次数超过阈值或竞争激烈时，升级为重量级锁。

4. 重量级锁（Heavyweight Locking）

• 状态标识：Mark Word 中锁标志位为 10，指向 ObjectMonitor 监视器。
• 核心机制：
• 阻塞等待：线程通过操作系统互斥量（Mutex）进入阻塞状态，由 OS 调度唤醒。
• 队列管理：使用 EntryList（阻塞队列）和 WaitSet（等待队列）管理线程状态。
• 性能影响：上下文切换开销大，适用于高竞争或长时间持有锁的场景。
• 优化点：
• 锁消除（JIT 编译器移除无竞争锁）。
• 锁粗化（合并连续锁操作减少开销）。

三、锁的存储与同步范围

同步范围
• 实例方法：锁对象为当前实例（this）。
• 静态方法：锁对象为类的 Class 对象（如 String.class）。
• 代码块：锁对象由 synchronized(obj) 显式指定。
线程状态流转
• Contention List：所有请求锁的线程初始队列。
• Entry List：竞争候选线程队列（优先级较高的线程）。
• OnDeck：当前竞争锁的线程（单线程竞争）。
• Owner：持有锁的线程。
• Wait Set：通过 wait() 进入等待的线程队列。

四、关键特性

可重入性（Reentrancy）
• 同一线程可多次获取同一把锁（如递归方法），避免死锁。
线程阻塞与唤醒
• 通过 wait()/notify()/notifyAll() 实现线程间协作，需配合 synchronized 使用。
JVM 优化措施
• 锁消除：编译器消除无竞争场景的锁。
• 锁粗化：合并连续的锁操作以减少开销。
不可逆性
• 锁状态只能从无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁单向升级，无法降级。

五、与 Lock 的对比

特性	`synchronized`	`Lock` 接口
实现层级	JVM 内置锁	需手动实现（如 `ReentrantLock`）
性能	低竞争时高效，高竞争依赖 OS	自旋锁、公平锁等灵活策略
中断响应	不支持中断等待	支持 `lockInterruptibly()`
条件变量	依赖 `wait()`/`notify()`	通过 `Condition` 精细化控制

六、使用建议

优先使用轻量级锁：通过减少锁粒度、避免长时间持有锁优化性能。
避免嵌套锁：减少死锁风险。
监控锁竞争：通过 JVM 工具（如 jstack）分析锁阻塞问题。

通过理解其底层机制和优化策略，可以更高效地设计并发程序。

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