从HotSpot角度看synchronized的底层结构

每个Java对象在内存中的布局包含对象头，其中存储了与锁相关的关键信息。对象头由两部分组成：

Mark Word：存储对象的运行时数据（如哈希码、GC分代年龄、锁状态等）。
Klass Pointer：指向对象所属类的元数据（Class对象）。

Mark Word的结构

Mark Word的长度为32位或64位（取决于JVM是32位还是64位）。其内容随锁状态动态变化：

锁状态	存储内容（简化为通用描述）	标志位（最后2-3位）
无锁	哈希码、分代年龄等	`01`
偏向锁	持有锁的线程ID、偏向时间戳（epoch）	`101`
轻量级锁	指向线程栈中锁记录（Lock Record）的指针	`00`
重量级锁	指向Monitor对象（ObjectMonitor）的指针	`10`

示例（64位JVM的Mark Word布局）：

无锁状态：[unused:25bit][identity_hashcode:31bit][unused:1bit][age:4bit][biased_lock:1bit][lock:2bit]
偏向锁：[thread_id:54bit][epoch:2bit][age:4bit][biased_lock:1bit][lock:2bit]

二、Monitor（管程）与ObjectMonitor

当锁升级为重量级锁 时，HotSpot会通过ObjectMonitor对象实现线程同步。每个Java对象在需要时（首次竞争升级时）会关联一个ObjectMonitor实例。

ObjectMonitor的核心字段

cpp 复制代码

// HotSpot源码中的ObjectMonitor结构（简化）
class ObjectMonitor {
    void*     _header;       // 存储对象的Mark Word（用于恢复无锁状态）
    void*     _owner;        // 持有锁的线程（如线程A）
    ObjectWaiter* _EntryList; // 阻塞等待锁的线程队列
    ObjectWaiter* _WaitSet;   // 调用wait()后进入等待状态的线程队列
    volatile int  _count;     // 记录重入次数（如线程A多次加锁）
    volatile int  _waiters;   // 等待队列中的线程数
    // 其他字段省略...
};

Monitor的工作流程

线程竞争锁 ：
- 若_owner为null，线程通过CAS操作将自己设为_owner，获取锁。
- 若_owner非空，线程进入_EntryList队列，并阻塞（通过操作系统互斥量）。
释放锁 ：
- 线程将_owner置为null，并唤醒_EntryList中的线程。
调用wait() ：
- 持有锁的线程释放锁，进入_WaitSet队列，等待其他线程调用notify()。

三、锁的实现机制

1. 偏向锁（Biased Locking）

目标：优化无竞争场景，避免同步操作。
实现：
- 对象初始化时，Mark Word设置为无锁状态。
- 当第一个线程（线程A）获取锁时，JVM将Mark Word的线程ID设置为A的ID，并标记为偏向锁（101）。
- 后续线程A进入同步块时，直接检查线程ID是否匹配，无需CAS操作。
撤销偏向锁 ：
- 当线程B尝试获取锁时，JVM触发偏向锁撤销：
  - 在全局安全点（所有线程暂停）检查线程A是否仍在同步块中。
  - 若已退出，将Mark Word恢复为无锁状态；若未退出，升级为轻量级锁。

2. 轻量级锁（Lightweight Lock）

目标：优化低竞争场景，避免线程阻塞。
实现：
- 线程在栈帧中创建Lock Record，拷贝对象头的Mark Word到其中。
- 通过CAS操作将对象头的Mark Word替换为指向Lock Record的指针（锁标志位00）。
- 成功：线程获得锁。
- 失败（其他线程已竞争）：触发自旋，超过阈值则升级为重量级锁。

3. 重量级锁（Heavyweight Lock）

目标：处理高竞争场景，确保线程安全。
实现：
- 对象头的Mark Word指向关联的ObjectMonitor实例（锁标志位10）。
- 未获取锁的线程进入_EntryList队列，依赖操作系统的互斥量（Mutex）阻塞。

四、字节码层面的支持

synchronized关键字在编译后生成以下字节码指令：

同步代码块：
- monitorenter：尝试获取锁。
- monitorexit：释放锁（确保在异常时也能释放）。
java 复制代码
```
synchronized(obj) {
    // 代码块
}
// 编译后：
monitorenter
try {
    // 代码块
} finally {
    monitorexit
}
```
同步方法：
- 方法访问标志设置为ACC_SYNCHRONIZED。
- JVM在方法调用和返回时自动处理锁的获取与释放。
java 复制代码
```
public synchronized void method() {
    // 方法体
}
```

五、HotSpot的优化策略

自适应自旋（Adaptive Spinning） ：
- JVM根据最近的自旋成功率动态调整自旋次数，避免CPU空转。
批量重偏向（Bulk Rebiasing） ：
- 若一个类的偏向锁被多个不同线程获取，JVM会将该类的后续对象偏向新的线程。
批量撤销（Bulk Revocation） ：
- 若偏向锁被频繁撤销，JVM会禁用该类的偏向锁，后续直接使用轻量级锁。

六、为什么锁降级不被支持？

性能考量 ：
重量级锁的降级需要复杂的状态回退（如重建Mark Word、释放Monitor），而高竞争场景可能很快再次升级，得不偿失。
实现复杂度 ：
锁降级需处理线程安全、状态同步等问题，HotSpot选择简化设计，仅支持锁释放后重置为无锁状态。

七、示例：从代码到底层的映射

java 复制代码

public class SyncExample {
    private final Object lock = new Object();

    public void doSomething() {
        synchronized (lock) { // 1. 尝试获取lock的锁
            // 同步代码块
        } // 2. 释放锁
    }
}

首次执行 ：
- lock对象处于无锁状态，线程获取偏向锁。
竞争出现 ：
- 其他线程尝试获取锁，触发偏向锁撤销，升级为轻量级锁。
自旋失败 ：
- 竞争激烈时，最终升级为重量级锁，线程进入阻塞队列。

总结

从HotSpot角度看，synchronized的底层实现是对象头、Monitor和锁状态机的精密协作：

对象头动态存储锁状态，实现快速状态切换。
Monitor管理线程竞争与阻塞，提供最终的安全性保障。
锁升级在性能与安全间动态权衡，适应不同并发场景。

理解这些机制，不仅能优化高并发代码，还能深入掌握JVM的并发设计哲学。