synchronized底层如何实现？

典型回答

如果你使用反编译工具查看synchronized代码块，会发现是由一对儿monitorentry/monitorexit指令实现的，Monitor对象是同步的基本实现单元。

在Java 6之前，Monitor的实现完全是依靠操作系统内部的互斥锁，因为需要进行用户态到内核态的切换，所以同步操作是一个无差别的重量级操作。

现代的（Oracle）JDK中，JVM对此进行了大刀阔斧地改进，提供了三种不同的Monitor实现，也就是常说的三种不同的锁：偏斜锁（Biased Locking）、轻量级锁和重量级锁，大大改进了其性能。

当没有竞争出现时，默认会使用偏斜锁。JVM会利用CAS操作（Compare and Swap），在对象头上的Mark Word部分设置线程ID，以表示这个对象偏向于当前线程，所以并不涉及真正的互斥锁。这样做的假设是基于在很多应用场景中，大部分对象生命周期中最多会被一个线程锁定，使用偏斜锁可以降低无竞争开销。

如果有另外的线程试图锁定某个已经被偏斜过的对象，JVM就需要撤销（revoke）偏斜锁，并切换到轻量级锁实现。轻量级锁依赖CAS操作Mark Word来试图获取锁，如果重试成功，就使用普通的轻量级锁；否则，进一步升级为重量级锁。

以上描述了锁的升级过程。而当JVM进入安全点（SafePoint）的时候，会检查是否有闲置的Monitor，然后试图进行降级。

知识扩展

synchronized是JVM内部的Intrinsic Lock，所以偏斜锁、轻量级锁、重量级锁的代码实现，并不在核心类库部分，而是在JVM的代码中。

1、偏斜锁（Biased Locking）

偏斜锁，顾名思义，它会偏向于第一个访问锁的线程。如果在运行过程中，同步锁只有一个线程访问，不存在多线程争用的情况，则线程是不需要触发同步的，这种情况下，就会给线程加一个偏斜锁。如果在运行过程中，遇到了其它线程抢占锁，则持有偏斜锁的线程会被挂起，JVM会消除它身上的偏斜锁，将锁恢复到标准的轻量级锁。

偏斜锁获取过程如下：

1）访问Mark Word中偏斜锁的标识是否设置成1，锁标志为是否为01，确认为可偏斜状态。
2）如果为可偏斜状态，则测试线程ID是否指向当前线程，如果是，进入步骤5，否则进入步骤3.
3）如果线程ID并未指向当前线程，则通过CAS操作竞争锁。如果竞争成功，则将Mark Word中线程ID设置为当前线程ID，然后执行5；如果竞争失败，执行4。
4）如果CAS获取偏斜锁失败，则表示有竞争。当到达全局安全点（SafePoint）时获得偏斜锁的线程被挂起，偏斜锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码。（撤销偏斜锁的时候会导致stop the word）
5）执行同步代码。

偏斜锁并不适合所有应用场景，撤销操作（revoke）是比较重的行为，只有当存在较多不会真正竞争的synchronized块时，才能体现出明显改善。实践中对于偏斜锁一直是有争议的，有人甚至认为，当你需要大量使用并发类库时，往往意味着你不需要偏斜锁。从具体选择来看，我还是建议需要在实践中进行测试，根据结果再决定是否使用。

还有一方面，偏斜锁会延缓JIT预热的进程，所以很多性能测试中会显式地关闭偏斜锁，命令如下：

-XX:-UseBiasedLocking

2、轻量级锁

轻量级锁是由偏斜锁升级来的，加锁过程如下：

1）在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为“01”状态），JVM首先将当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，官方称之为Displaced Mark Word。
2）拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中。
3）拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，并将LockRecord里的owner指针指向Object Mark Word。如果更新成功，则执行步骤4，否则执行步骤5。
4）如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态。
5）如果这个更新操作失败了，JVM首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的堆栈，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行。否则说明多个线程竞争锁，轻量级锁就要膨胀为重量级锁，锁标志位的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。而当前线程便尝试使用自旋来获取锁，自旋就是为了不让线程阻塞，而采用循环去获取锁的过程。