什么是synchronized的底层原理和锁升级机制？

Java synchronized：底层原理与锁升级机制详解

synchronized是Java多线程编程中常用的同步机制，其底层实现和锁升级过程一直备受关注。本文通过代码示例，深入剖析synchronized的底层原理以及锁的升级路径：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。

代码示例与运行结果分析

以下Java代码演示了synchronized锁的升级过程：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread.sleep(5000);
    Object obj = new Object();
    System.out.println("初始状态 =====================" + "\n" + ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
    new Thread(() -> {
        synchronized (obj) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取锁执行中。。。\n"
                    + ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
        }
    }, "Thread-A").start();

    Thread.sleep(1000);

    new Thread(() -> {
        synchronized (obj) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取锁执行中。。。\n"
                    + ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
        }
    }, "Thread-B").start();

    Thread.sleep(5000);
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
}

运行结果（可能因JVM版本而异）： 结果将显示对象头Mark Word在不同线程访问时的状态变化，展示了锁的升级过程。 由于偏向锁在现代JVM中通常默认关闭，你可能观察到直接从无锁状态升级到轻量级锁的状态变化。

synchronized底层机制与锁升级

synchronized基于HotSpot虚拟机中的监视器锁（Monitor）实现，依赖对象头中的Mark Word和操作系统互斥锁（Mutex Lock）。Mark Word存储对象的运行时数据，包括锁状态。

1. 无锁状态: 对象初始状态，Mark Word存储哈希码等信息。

2. 偏向锁状态: 只有一个线程访问同步块时，JVM会进行偏向锁优化，Mark Word记录线程ID。 这减少了不必要的CAS操作，提升性能。 (现代JVM中通常默认关闭)

3. 轻量级锁状态: 当第二个线程尝试获取锁时，如果已存在偏向锁（或偏向锁已失效），则升级为轻量级锁。 线程在栈帧中创建锁记录，使用CAS操作尝试将Mark Word替换为指向锁记录的指针。成功则获取锁，失败则升级为重量级锁。

4. 重量级锁状态: 轻量级锁竞争失败（CAS操作失败），锁升级为重量级锁。 线程阻塞，依赖操作系统Mutex Lock实现同步，性能开销较大。

结果分析与总结

代码示例中，锁状态会经历不同的阶段，这体现了synchronized的锁升级机制。 需要注意的是，由于JVM优化策略，偏向锁可能被禁用，直接从无锁状态升级到轻量级锁。 理解synchronized的锁升级机制，有助于开发者更有效地利用这一同步工具，并根据实际情况选择合适的锁策略。 现代JVM的优化策略使得synchronized在许多情况下具有较高的性能。

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