Java中synchronized原理

synchronized是Java中的一个关键字，用于实现线程同步。它可以确保同一时刻只有一个线程能够访问被synchronized修饰的代码块或方法，从而保证数据的线程安全性。synchronized的原理主要基于Java虚拟机（JVM）的监视器锁（Monitor Lock）机制。以下是synchronized的原理和工作流程：

1、对象头

在Java中，每个对象都有一个对象头（Object Header），对象头包含了对象的元数据信息，如对象的哈希码、GC状态、锁状态等。synchronized就是通过对象头中的锁状态来实现线程同步的。
Java对象头的主要内容：

• Mark Word：对象头中的一个关键部分，它用于存储对象的哈希码、GC状态、锁状态等信息。Mark Word的大小因JVM实现和对象类型而异，通常为4字节或8字节。Mark Word的布局会根据对象的状态（如无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态等）而变化。
• Class Pointer：对象头中的另一个关键部分，它指向对象的类元数据信息。Klass Pointer的大小因JVM实现而异，通常为4字节或8字节。通过Klass Pointer，JVM可以访问对象的类信息，如类名、方法表、字段描述符等。
• 数组长度：对于数组对象，对象头中还会包含一个数组长度字段，用于存储数组的长度。数组长度字段的大小因JVM实现而异，通常为4字节或8字节。
• 对象状态：对象头中的元数据信息会根据对象的状态（如无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态等）而变化。例如，在偏向锁状态下，Mark Word中会包含偏向锁的信息；在轻量级锁状态下，Mark Word中会包含指向锁记录的指针；在重量级锁状态下，Mark Word中会包含指向监视器锁的指针。

以下是Java对象头的一个简单示例：

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|   Mark Word     |  Class Pointer  |   Array Length  |
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Java对象头是Java对象在内存中的布局的一部分，它包含了对象的元数据信息，如对象的哈希码、GC状态、锁状态等。对象头的主要作用是存储对象的元数据信息，以便JVM能够正确地处理对象。对象头中的元数据信息会根据对象的状态而变化。

2、锁状态：

Java虚拟机中的锁有四种状态：无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。synchronized在不同的锁状态下有不同的工作方式。

• 无锁状态：对象刚被创建时，没有任何线程持有锁，此时锁处于无锁状态。
• 偏向锁：当一个线程首次访问被synchronized修饰的代码块或方法时，JVM会偏向该线程，将锁状态升级为偏向锁。偏向锁的目的是减少无竞争情况下的锁开销。
• 轻量级锁：当有其他线程尝试访问被synchronized修饰的代码块或方法时，如果锁处于偏向锁状态，JVM会尝试将锁状态升级为轻量级锁。轻量级锁通过自旋等待的方式来获取锁，避免了线程阻塞和唤醒的开销。
• 重量级锁：当自旋等待超过一定次数或者有多个线程在等待锁时，JVM会将锁状态升级为重量级锁。重量级锁会导致线程阻塞和唤醒，从而降低了系统的并发性能。

3、锁状态

锁升级流程：

• 无锁状态 -> 偏向锁：当一个线程首次访问被synchronized修饰的代码块或方法时，JVM会将锁状态升级为偏向锁，并将锁的持有者设置为当前线程。
• 偏向锁 -> 轻量级锁：当有其他线程尝试访问被synchronized修饰的代码块或方法时，如果锁处于偏向锁状态，JVM会尝试将锁状态升级为轻量级锁。轻量级锁通过自旋等待的方式来获取锁，避免了线程阻塞和唤醒的开销。
• 轻量级锁 -> 重量级锁：当自旋等待超过一定次数或者有多个线程在等待锁时，JVM会将锁状态升级为重量级锁。重量级锁会导致线程阻塞和唤醒，从而降低了系统的并发性能。

4、锁释放

当线程执行完被synchronized修饰的代码块或方法后，它会释放锁。释放锁的过程取决于锁的状态：

• 偏向锁：释放偏向锁时，JVM会检查锁的持有者是否为当前线程，如果是，则将锁状态降级为无锁状态。
• 轻量级锁：释放轻量级锁时，JVM会检查锁的持有者是否为当前线程，如果是，则将锁状态降级为无锁状态。
• 重量级锁：释放重量级锁时，JVM会唤醒等待队列中的一个线程，并将锁的持有者设置为该线程。

总之，synchronized的原理是基于Java虚拟机的监视器锁机制，通过对象头中的锁状态来实现线程同步。synchronized在不同的锁状态下有不同的工作方式，包括偏向锁、轻量级锁和重量级锁。锁的状态会根据竞争情况自动升级，以提高系统的并发性能。