synchronized底层原理java锁机制

synchronized底层原理Java锁机制解析

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作为Java程序员，面试中synchronized底层原理和Java锁机制几乎是必考题。今天我们就以面试场景口述的形式，剖析这两个核心知识点，帮你从容应对技术追问！

一、synchronized的底层实现：对象头与Monitor

synchronized的底层实现依赖于JVM的对象头和Monitor锁机制。每个Java对象在内存中分为三部分：对象头、实例数据和对齐填充。

对象头中存储了与锁相关的信息，包含两部分：

1. Mark Word：记录对象的哈希码、GC分代年龄、锁状态标志等；
2. Klass Pointer：指向类元数据的指针。

当线程执行synchronized代码块时，JVM会尝试通过CAS操作（Compare and Swap）将对象头的Mark Word替换为指向Monitor的指针。Monitor（也称为管程）是JVM层面的锁实现，内部维护了以下关键字段：

• Owner：持有锁的线程；
• EntryList：等待锁的线程队列；
• WaitSet：调用wait()后进入等待状态的线程队列。

二、锁升级过程：偏向锁→轻量级锁→重量级锁

为了平衡性能与线程安全，JVM设计了锁升级机制，根据竞争激烈程度动态调整锁状态：

1. 偏向锁

   • 适用场景：单线程访问同步代码；
   • 原理：在对象头记录线程ID，后续同一线程无需加锁；
   • 优化：减少无竞争时的锁开销。

2. 轻量级锁

   • 触发条件：多线程竞争，但未达到“激烈”程度；
   • 原理：通过CAS自旋尝试获取锁，失败则升级为重量级锁；
   • 特点：避免线程阻塞，但消耗CPU资源。

3. 重量级锁

   • 适用场景：高并发、长时间等待；
   • 原理：直接使用操作系统的互斥量（Mutex），线程进入阻塞状态；
   • 缺点：涉及用户态到内核态的切换，性能损耗大。

三、synchronized的锁优化策略

1. 自适应自旋
   JVM根据历史自旋成功率动态调整自旋次数，避免盲目空转。

2. 锁消除
   通过逃逸分析，若发现同步代码不会逃逸出当前线程，则直接移除锁。

3. 锁粗化
   将多次连续的加锁/解锁操作合并为一次，减少锁竞争开销。

四、高频面试题解析

1. synchronized和ReentrantLock的区别？

   • 底层实现：synchronized基于JVM，ReentrantLock基于API；
   • 功能扩展：ReentrantLock支持公平锁、条件变量；
   • 锁粒度：synchronized自动释放，ReentrantLock需手动unlock()。

2. 锁升级过程中，对象头的变化如何体现？
   以32位JVM为例：

   • 无锁状态：25位哈希码 + 4位分代年龄 + 1位锁标志（01）；
   • 偏向锁：23位线程ID + 2位epoch + 4位分代年龄 + 1位锁标志（01）；
   • 轻量级锁：30位指向栈中锁记录的指针 + 2位锁标志（00）；
   • 重量级锁：30位指向Monitor的指针 + 2位锁标志（10）。

3. 为什么说synchronized是“可重入锁”？
   线程持有锁后，再次请求同一把锁时可直接进入，通过计数器避免死锁。

五、实战建议与资源推荐

1. 优化锁竞争：尽量减少同步代码块的范围，避免锁粒度过大；
2. 监控工具：使用jstack或Arthas查看线程锁状态；
3. 学习资料：推荐阅读《Java并发编程实战》和《深入理解Java虚拟机》。

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最后留个思考题：
如果多个线程同时竞争偏向锁，JVM会如何处理？欢迎在评论区交流答案！