synchronized 底层原理深度详解

synchronized 是 JVM 内置的可重入、非公平互斥锁 ，底层基于对象头 MarkWord + Monitor 监视器 实现，JDK 1.6 后通过锁升级大幅优化性能，保证并发下的原子性、可见性、有序性。

二、底层实现原理（核心必答）

锁的本质：锁的是对象，不是代码
- 修饰实例方法：锁当前对象 this
- 修饰静态方法：锁当前类的 Class 对象
- 修饰代码块：锁括号里指定的对象
对象头与 Monitor
- Java 对象在堆中分为：对象头、实例数据、对齐填充。
- MarkWord 存储：哈希码、分代年龄、锁状态、线程 ID。
- 每个对象关联一个 Monitor（ObjectMonitor） ，由 C++ 实现，包含：
  - _owner：持有锁的线程
  - _count：重入计数
  - _EntryList：阻塞等待队列
  - _WaitSet：调用 wait () 的等待队列
字节码指令
- 同步代码块：monitorenter 加锁、monitorexit 解锁。
- JVM 会自动生成两个 monitorexit，保证正常 / 异常都能释放锁。
- 同步方法：通过方法标识 ACC_SYNCHRONIZED 实现。

三、锁升级流程（JDK 1.6+ 最重要考点）

不可逆流程：无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁

偏向锁
- 适用：单线程反复获取锁，无竞争
- MarkWord 记录线程 ID，后续直接进入，无同步开销
- 一旦出现其他线程竞争，立即升级为轻量级锁
轻量级锁
- 适用：线程交替执行，竞争时间短
- 线程在栈帧中创建锁记录，用 CAS 尝试抢占锁
- 竞争失败则自旋，自旋一定次数仍失败 → 升级重量级锁
重量级锁
- 依赖操作系统 Mutex Lock 互斥量
- 线程进入内核态阻塞，放入 EntryList
- 开销大，但不占用 CPU

四、三大特性

可重入 同一线程可多次获取同一把锁，底层靠 _count 计数实现，避免死锁。
非公平锁线程竞争不按等待顺序，新线程可直接抢占，吞吐量高，但可能产生饥饿。
保证可见性 加锁时从主存刷新，解锁时写回主存，底层通过内存屏障实现 Happens-Before。

五、高频面试题答案

1. synchronized 保证了什么？

原子性、可见性、有序性。

2. 为什么是可重入锁？

通过 Monitor 中的 _count 计数器实现，同一线程加锁计数 + 1，解锁 - 1，为 0 才真正释放。

3. 锁升级为什么不可逆？

为了简化 JVM 实现，避免状态回退带来的复杂度和并发安全问题。

4. synchronized 和 ReentrantLock 区别？

synchronized：JVM 实现，自动加解锁，非公平，功能少
ReentrantLock：JDK 实现，手动加解锁，可公平 / 非公平，支持条件等待、超时、中断

六、精简版

synchronized 是 JVM 内置的互斥锁，底层基于对象头 MarkWord 和Monitor 监视器 ，通过 monitorenter/monitorexit 指令实现。JDK 1.6 后引入锁升级 ：无锁→偏向锁→轻量级锁→重量级锁，用来减少高并发开销。它是可重入、非公平锁，能保证原子性、可见性、有序性。