详解Java中synchronized的实现原理

synchronized是Java原生的锁机制，可以实现线程对临界区的互斥访问。曾经synchronized因为性能低被称为重量级锁，但自从JDK 6对synchronized的各种优化之后，synchronized的性能和ReentrantLock的性能基本持平。synchronized相对于ReentrantLock的优势是其锁的释放由JVM确保，并且synchronized是Java语法层面的同步，更加清晰简单。

synchronized实现同步的基础是：Java中的每一个对象都可以作为锁，这个锁也被称为内部锁。线程在进入synchronized代码块前会先获取内部锁，内部锁是排他锁，这时其它线程就会阻塞挂起并等待锁的释放。synchronized可用于以下三种情况：

• 对于普通同步方法，锁是当前实例对象
• 对于类静态同步方法，锁是当前类的Class对象
• 对于同步方法块，锁是synchronized括号里配置的对象

为什么说Java中的每一个对象都可以作为synchronized的锁呢？其实是synchronized用的锁信息存在Java对象头里。一个对象在堆内存中的存储布局分为三个部分：对象头、示例数据和对齐填充。其中，对象头由以下三个部分构成：

• Mark Word，存储HashCode、GC分代年龄、锁信息等
• 指向类信息的指针
• 数组长度（只有数组对象才有）

就在Mark Word里，存储着一个指向互斥量（重量级锁）的指针，这个互斥量称为Monitor，每个对象都有自己关联的Monitor。简单来说，synchronized实际上是基于对象的Monitor来实现互斥的。Monitor是JVM层面实现的，其具体内容我们不做深究，只简单说一下运作方式。当某对象被一个线程锁住时，该对象的对象头中的Mark Work会记录指向Monitor的地址，Monitor中会记录该线程的ID，Monitor中还有其它一些机制来实现线程之间的挂起和唤醒。

直接使用Monitor的方式是性能低下的，所以这种方式又被称为重量级锁。JDK1.6对synchronized进行了优化，synchronized一开始并不是直接就采用重量级锁，而是采用一种“锁升级”的方式，从偏向锁和轻量级锁逐步根据需求升级到重量级锁。为此，Mark Word采用了一种动态结构，可以在不同状态下代表不同的锁结构，如下图所示。

• 偏向锁：经研究发现，大多数情况下，锁总是由同一线程多次获得。因此，当一个线程获取锁时，先进入偏向锁状态，当这个线程在此请求锁时，就无需再进行锁申请，直接获取锁即可，从而提高了性能。但当其它线程来获取锁时，偏向锁就失效了，然后升级到轻量级锁。
• 轻量级锁：轻量级锁的理论依据是“大部分锁在同步周期内都不存在竞争”。因此轻量级锁是先用CAS手段来加锁，如果失败，说明存在竞争，则进入重量级锁。

参考文献

【1】《Java并发编程之美》翟陆续等著，电子工业出版社。

【2】《Java并发编程的艺术》方腾飞等著，机械工业出版社。

【3】《实战Java高并发程序设计（第2版）》葛一鸣著，电子工业出版社。

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每日学习笔记，写于2020-04-19 星期日