深入理解 synchronized

引言：synchronized的核心地位

在Java并发编程中，synchronized关键字是实现线程安全的基石。自JDK 1.0引入以来，它经历了从"重量级锁"到"自适应锁"的进化，如今已成为兼顾安全性与性能的成熟方案。本文将从用法解析、字节码实现、底层原理、锁升级机制、JDK优化、性能对比到最佳实践，全方位剖析synchronized的技术细节，结合OpenJDK源码与实测数据，带你彻底掌握这一并发利器。

一、synchronized的基本用法与语义

1.1 三种使用方式

synchronized可修饰方法或代码块，核心是通过对象锁实现线程互斥。具体用法如下：

用法场景锁对象字节码实现示例代码
修饰实例方法当前对象实例（this）方法访问标志ACC_SYNCHRONIZEDpublic synchronized void increment() { count++; }
修饰静态方法类对象（Class实例）方法访问标志ACC_SYNCHRONIZEDpublic static synchronized void staticIncrement() { staticCount++; }
修饰代码块显式指定对象monitorenter/monitorexit指令synchronized (lockObj) { count++; }

关键语义：

  • 互斥性：同一时刻只有一个线程能持有锁，确保临界区代码串行执行。
  • 可见性：释放锁时，线程会将工作内存中的修改刷新到主内存；获取锁时，线程会失效本地缓存，从主内存加载最新值（通过内存屏障实现）。
  • 可重入性：线程可重复获取已持有的锁，通过_recursions计数器实现（见ObjectMonitor源码）。

1.2 用法示例与字节码分析

示例1：同步代码块
public class SyncBlockExample {private final Object lock = new Object();private int count = 0;public void increment() {synchronized (lock) { // 显式指定lock为锁对象count++;}}
}

字节码反编译（javap -v SyncBlockExample.class）：
同步代码块通过monitorenter（进入锁）和monitorexit（释放锁）指令实现：

  public void increment();descriptor: ()Vflags: ACC_PUBLICCode:stack=2, locals=3, args_size=10: aload_01: getfield      #2                  // Field lock:Ljava/lang/Object;4: dup5: astore_1                          // 将锁对象引用存入局部变量表6: monitorenter                      // 获取锁7: aload_08: dup9: getfield      #3                  // Field count:I12: iconst_113: iadd14: putfield      #3                  // Field count:I17: aload_118: monitorexit                       // 正常退出时释放锁19: goto          2722: astore_223: aload_124: monitorexit                       // 异常退出时释放锁25: aload_226: athrow27: return

注意：编译器会生成两个monitorexit，分别对应正常退出和异常退出，确保锁必定释放。

示例2：同步方法
public class SyncMethodExample {private int count = 0;public synchronized void increment() { // 实例方法锁，锁对象为thiscount++;}public static synchronized void staticIncrement() { // 静态方法锁，锁对象为SyncMethodExample.classstaticCount++;}
}

字节码特征：同步方法通过ACC_SYNCHRONIZED标志实现，无需显式monitor指令：

  public synchronized void increment();descriptor: ()Vflags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED  // 同步方法标志Code:stack=3, locals=1, args_size=10: aload_01: dup2: getfield      #2                  // Field count:I5: iconst_16: iadd7: putfield      #2                  // Field count:I10: return

二、底层实现：对象头与Monitor机制

2.1 对象头与Mark Word

synchronized的实现依赖对象头（Object Header）中的Mark Word存储锁状态。对象头由两部分组成：

  • Mark Word：存储对象运行时数据（哈希码、GC年龄、锁状态等）。
  • Klass Pointer：指向类元数据的指针。

64位JVM Mark Word格式（不同锁状态下的存储结构）：

锁状态标志位存储内容
无锁01哈希码（25bit）+ GC年龄（4bit）+ 是否偏向锁（1bit=0）+ 标志位（2bit=01）
偏向锁01偏向线程ID（54bit）+ Epoch（2bit）+ GC年龄（4bit）+ 是否偏向锁（1bit=1）+ 标志位（2bit=01）
轻量级锁00指向栈中锁记录（Lock Record）的指针（64bit）+ 标志位（2bit=00）
重量级锁10指向ObjectMonitor对象的指针（64bit）+ 标志位（2bit=10）
GC标记11空

工具推荐：使用org.openjdk.jol:jol-core查看对象头，如ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable()。

2.2 Monitor监视器锁

重量级锁的实现依赖ObjectMonitor（C++实现），每个对象关联一个Monitor，用于管理线程竞争与等待。

ObjectMonitor核心结构（OpenJDK源码objectMonitor.hpp）：

class ObjectMonitor {
private:void* volatile _owner;       // 持有锁的线程ObjectWaiter* volatile _WaitSet; // 等待队列（调用wait()的线程）ObjectWaiter* volatile _EntryList; // 阻塞队列（未获取锁的线程）int _recursions;             // 重入次数int _count;                  // 等待线程数// ...其他字段
};

工作流程：

  1. 竞争锁：线程通过CAS尝试将_owner设为自身，成功则获取锁；失败则进入_EntryList阻塞。
  2. 释放锁：线程退出同步块时，将_owner设为null，唤醒_EntryList中的线程重新竞争。
  3. 等待/唤醒：调用wait()时，线程释放锁并进入_WaitSet；notify()将线程从_WaitSet移至_EntryList重新竞争。

三、锁升级机制：从偏向锁到重量级锁

JDK 1.6引入锁升级机制，根据竞争程度动态选择锁状态（不可逆），平衡性能与安全性。

3.1 偏向锁（Biased Locking）

设计目标：减少单线程重复获取锁的开销。
实现原理：

  • 首次获取锁时，通过CAS将线程ID记录到Mark Word，设为偏向模式（标志位101）。
  • 后续同一线程访问时，仅需比对线程ID，无需CAS操作。

撤销条件：当其他线程尝试竞争时，需等待全局安全点（STW），暂停持有线程，检查状态：

  • 若持有线程已结束，重置为无锁状态。
  • 若持有线程存活，升级为轻量级锁。

JVM参数：

  • -XX:+UseBiasedLocking（默认启用，JDK 15后默认禁用）。
  • -XX:BiasedLockingStartupDelay=0（禁用启动延迟）。

3.2 轻量级锁（Lightweight Locking）

设计目标：应对多线程交替执行的轻度竞争。
实现步骤：

  1. 创建锁记录：线程在栈帧中创建Lock Record，复制Mark Word（Displaced Mark Word）。
  2. CAS竞争锁：通过CAS将Mark Word替换为指向Lock Record的指针（标志位00）。
  3. 自旋重试：竞争失败时，线程自旋（空循环）尝试获取锁，避免阻塞（自适应自旋：根据历史成功率调整次数）。

升级条件：

  • 自旋超过阈值（默认10次，JDK 1.7后自适应）。
  • 竞争线程数超过CPU核心数一半。

3.3 重量级锁（Heavyweight Locking）

设计目标：应对高并发激烈竞争。
实现原理：

  • Mark Word指向ObjectMonitor，未获取锁的线程进入_EntryList阻塞（操作系统级别的互斥锁）。
  • 线程阻塞/唤醒涉及用户态→内核态切换，开销较大。

性能对比：

锁状态获取成本释放成本适用场景
偏向锁极低极低单线程重复访问
轻量级锁低（CAS）低（CAS）多线程交替执行
重量级锁高高多线程同时竞争

四、JDK优化：从锁消除到虚拟线程

4.1 锁优化技术

锁消除（Lock Elimination）

JIT编译器通过逃逸分析，消除不可能存在竞争的锁。例如：

public String concat(String a, String b) {StringBuffer sb = new StringBuffer(); // StringBuffer的append是同步方法sb.append(a).append(b);return sb.toString();
}
// 逃逸分析发现sb未逃逸，消除同步锁
锁粗化（Lock Coarsening）

合并连续的锁申请，减少锁竞争频率：

for (int i = 0; i < 1000; i++) {synchronized (lock) { // 循环内频繁加锁，粗化为一次锁申请count++;}
}
// 优化后：synchronized (lock) { for (...) { count++; } }
自适应自旋（Adaptive Spinning）

JVM根据历史自旋成功率动态调整次数：

  • 若自旋成功，下次增加自旋次数（最大100次）。
  • 若自旋失败，减少或省略自旋，避免CPU空转。

4.2 JDK 17的虚拟线程支持

JDK 17通过JEP 491优化synchronized与虚拟线程（Virtual Threads）的兼容性，避免线程固定（Pinning）：

  • 虚拟线程阻塞于synchronized时，JVM自动卸载载体线程（Carrier Thread），允许其他虚拟线程复用。
  • 实现原理：结合Continuation机制，在阻塞时保存栈帧，释放载体线程。

性能提升：在高并发I/O场景，吞吐量提升30%+，避免传统线程阻塞导致的资源浪费。

五、源码深度剖析：ObjectMonitor关键方法

5.1 加锁（enter方法）

void ATTR ObjectMonitor::enter(TRAPS) {Thread* Self = THREAD;void* cur = Atomic::cmpxchg_ptr(Self, &_owner, NULL); // CAS尝试获取锁if (cur == NULL) { // 成功获取锁，_owner = Selfreturn;}if (cur == Self) { // 重入，_recursions++_recursions++;return;}// 竞争失败，进入自旋或阻塞if (Knob_SpinEarly && TrySpin(Self) > 0) { // 自旋成功，获取锁return;}// 自旋失败，进入_EntryList阻塞ThreadBlockInVM tbivm(Self);Self->set_current_pending_monitor(this);EnterI(Self); // 进入阻塞队列
}

5.2 释放锁（exit方法）

void ATTR ObjectMonitor::exit(TRAPS) {if (_recursions != 0) { // 重入解锁，_recursions--_recursions--;return;}// 唤醒_EntryList中的线程ObjectWaiter* w = NULL;w = _EntryList;if (w != NULL) {Atomic::cmpxchg_ptr(NULL, &_owner, Self); // 释放锁OrderAccess::fence();WakeupWaiter(w); // 唤醒线程return;}// 无等待线程，直接释放Atomic::cmpxchg_ptr(NULL, &_owner, Self);
}

六、性能对比与最佳实践

6.1 synchronized vs Lock（ReentrantLock）

特性synchronizedReentrantLock
实现层级JVM层面（关键字）JDK层面（接口）
锁释放自动释放（异常/正常退出）手动释放（需finally块）
高级功能无（不可中断、非公平）支持中断、超时、公平锁、条件变量
性能（低竞争）接近（偏向锁/轻量级锁）略高（CAS操作）
性能（高竞争）重量级锁开销大略优（队列优化）

建议：简单同步需求用synchronized（简洁安全）；需高级功能（如超时获取）用ReentrantLock。

6.2 生产环境最佳实践

  1. 减小锁粒度：同步代码块仅包裹临界区，避免锁范围过大：

    // 反例：整个方法加锁
public synchronized void process() {readConfig(); // 无需同步的操作updateState(); // 需同步的临界区
}
// 正例：仅临界区加锁
public void process() {readConfig();synchronized (lock) {updateState();}
}

  2. 避免嵌套锁：减少死锁风险，如必须嵌套，确保锁顺序一致。

  3. 禁用偏向锁：高并发场景下，偏向锁撤销开销大，通过-XX:-UseBiasedLocking禁用。

  4. 监控锁状态：使用jstack查看线程阻塞状态，定位竞争热点：

    jstack <pid> | grep -A 20 "BLOCKED"  # 查看阻塞线程

  5. JVM参数调优：

    • -XX:PreBlockSpin=10：轻量级锁自旋次数。
    • -XX:BiasedLockingBulkRebiasThreshold=20：批量重偏向阈值。
    • -XX:BiasedLockingBulkRevokeThreshold=40：批量撤销阈值。

七、总结

synchronized从早期的重量级锁进化为如今的自适应锁机制，体现了JVM对性能的极致追求。其核心在于动态锁升级（偏向锁→轻量级锁→重量级锁），结合对象头Mark Word与ObjectMonitor实现高效同步。在JDK 17中，通过对虚拟线程的支持，进一步提升了高并发场景下的可扩展性。

掌握synchronized的底层原理，不仅能写出更高效的并发代码，更能深入理解JVM的优化机制。在实际开发中，需结合业务场景选择合适的锁策略，平衡安全性与性能，避免过度同步或锁竞争导致的性能瓶颈。

参考资料：

  • OpenJDK源码（hotspot/src/share/vm/runtime/objectMonitor.hpp）
  • 《深入理解Java虚拟机》（周志明）
  • JDK官方文档（JEP 142、JEP 491）

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