Synchronized原理最全详解(图文全面总结)

Synchronized是实现多线程同步的机制，但是很多对Synchronized原理并不了解，本篇详解Synchronized原理@mikechen

Synchronized原理

Synchronized 是 Java 中用于实现同步的一种内置机制，可以用于方法、和代码块。

public class SynchronizedExample {
    
    // 同步实例方法
    public synchronized void instanceMethod() {
        // 线程安全的代码
    }
    
    // 同步静态方法
    public synchronized static void staticMethod() {
        // 线程安全的代码
    }
    
    // 同步代码块
    public void codeBlock() {
        Object lock = new Object();
        synchronized (lock) {
            // 线程安全的代码
        }
    }
}

确保同一时刻只有一个线程可以执行被 synchronized 修饰的代码，从而避免线程间的数据不一致问题。

Synchronized的实现原理：主要涉及 Java 对象头、Monitor监视器对象………等。

Java对象头

Java 中的每个对象在内存中，都包含对象头（Object Header），对象头存储了对象的运行时数据。

整体结构，如下图所示：

Synchronized原理最全详解(图文全面总结)

对象头主要由两部分组成：

Mark Word（标记字段）：存储对象的运行时数据，如哈希码、GC 分代年龄、锁状态等。
Class Pointer（类型指针）：指向对象的类元数据，确定对象的类型信息。
数组长度（可选）：如果对象是数组类型，还会包含一个用于存储数组长度的字段。

比如：在64位操作系统中，对象头结构如下：

组成部分	大小（字节）	描述
Mark Word	8	存储对象的哈希码、GC 信息、锁状态等
Class Pointer	8	指向类元数据的指针
数组长度（可选）	4 或 8	数组类型对象的长度信息

Monitor监视器

在 Java 中，synchronized 的底层实现依赖于 Monitor（监视器）。

Monitor 是一种同步工具，用于管理多线程对共享资源的访问，每个 Java 对象都有一个与之关联的 Monitor。

当一个线程获得对象的 Monitor 时，其他试图获得该 Monitor 的线程将被阻塞，直到持有 Monitor 的线程释放它。

synchronized 关键字在编译后，会在对应的位置插入 monitorenter 、和 monitorexit 字节码指令，分别在进入和退出同步块时执行。

如下图所示：

Synchronized原理最全详解(图文全面总结)

大致流程，如下：

当线程进入 synchronized 方法、或代码块时，需要先获得对应对象的 Monitor，比如：上图的红色的：monitorenter。
尝试获取对象的 Monitor，如果成功，程序继续执行，否则，线程进入阻塞状态。
如果 Monitor 未被占用，线程将成功获得锁，进入临界区。
如果 Monitor 已被其他线程占用，当前线程将进入阻塞状态，加入到 EntryList 中。
线程在退出 synchronized 方法、或代码块时，释放 Monitor，唤醒在 EntryList 中等待的线程。

Synchronized锁升级

为了提高锁的性能，Java 在 JDK 1.6 引入了锁升级机制，锁可以在不同的状态之间升级，以适应不同的并发场景。

如下图所示：

Synchronized原理最全详解(图文全面总结)

完整的锁升级流程：

1.无锁状态

对象刚创建时，没有任何锁。

2.偏向锁

第一个线程访问同步块，获取偏向锁。

偏向锁的意思是，锁会偏向于第一个获得它的线程，如果该锁在之后的执行中没有被其他线程获取，那么持有锁的线程在进入和退出同步块时不需要进行同步操作。

后续相同线程再次进入同步块，无需任何同步操作。

当有其他线程尝试获取该锁时，撤销偏向锁，升级为轻量级锁。

3.轻量级锁

线程尝试使用 CAS 操作获取锁，自旋等待。

如果自旋成功，获取锁。

如果自旋失败，或者锁竞争激烈，升级为重量级锁。

轻量级锁：是在偏向锁的基础上，为了解决线程间的短暂锁竞争而设计的，相比重量级锁，轻量级锁在竞争不激烈的情况下性能更好。

4.重量级锁

线程获取锁失败，被阻塞，进入等待队列。

持有锁的线程释放锁后，唤醒等待队列中的线程，重新竞争锁。

作者简介

陈睿|mikechen，10年+大厂架构经验，BAT资深面试官，就职于阿里巴巴、淘宝、百度等一线互联网大厂。

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