Synchronized底层工作原理

Synchronized 是Java中最常用的内置锁机制，用于确保多线程环境下的同步。其底层原理涉及到JVM（Java虚拟机）和字节码指令。以下是 synchronized 的底层工作原理的详细介绍：

1. 基本概念

对象头（Object Header）：每个Java对象在内存中都有一个对象头，包含了锁标志位（Lock Word）。
Monitor：每个对象都有一个与之关联的监视器（Monitor），监视器是由C++实现的对象，它主要用于实现对象的同步机制。

2. 锁的状态

锁的状态在对象头中的锁标志位表示，可以有以下几种状态：

无锁（Unlocked）：没有线程持有锁。
偏向锁（Biased Lock）：当一个线程第一次访问一个对象时，对象头中的锁标志位会变为偏向锁，表明该线程持有锁。
轻量级锁（Lightweight Lock）：当第二个线程尝试获取锁时，偏向锁会升级为轻量级锁。
重量级锁（Heavyweight Lock）：当轻量级锁竞争失败时，会升级为重量级锁。重量级锁会阻塞所有尝试获取锁的线程，直到持有锁的线程释放锁。

3. synchronized 的实现

synchronized 关键字可以用于方法或代码块中。其底层实现如下：

3.1 同步代码块

synchronized (this) {
    // critical section
}

同步代码块的实现依赖于字节码指令 monitorenter 和 monitorexit：

monitorenter：当线程进入同步代码块时执行，尝试获取对象的Monitor锁。
monitorexit：当线程退出同步代码块时执行，释放对象的Monitor锁。

每个Monitor对象都包含一个计数器（Owner Count）和一个指向持有该锁的线程的指针（Owner）。

3.2 同步方法

public synchronized void method() {
    // critical section
}

同步方法使用 ACC_SYNCHRONIZED 标志。当方法调用时，JVM会自动获取对象的Monitor锁，方法执行完毕后释放锁。

4. 锁的升级与膨胀

偏向锁：偏向锁会在无竞争的情况下将锁偏向第一个获取它的线程。当同一个线程再次进入同步块时，不需要进行同步操作。
轻量级锁：当第二个线程尝试获取偏向锁时，会触发偏向锁升级为轻量级锁。这时会在当前线程栈帧中创建一个锁记录（Lock Record），并将对象头中的锁标志位指向这个锁记录。
重量级锁：如果锁竞争激烈，轻量级锁会升级为重量级锁，涉及到操作系统的互斥量（mutex）实现。重量级锁会导致线程阻塞和上下文切换。

5. 底层实现示例

以下是一个简单的示例，展示了同步代码块和同步方法在字节码层面的实现：

同步代码块

public void syncBlock() {
    synchronized (this) {
        System.out.println("Inside synchronized block");
    }
}

编译后的字节码：

0: aload_0
1: dup
2: astore_1
3: monitorenter
4: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
7: ldc           #3                  // String Inside synchronized block
9: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
12: aload_1
13: monitorexit
14: goto          22
17: astore_2
18: aload_1
19: monitorexit
20: aload_2
21: athrow
22: return

同步方法

public synchronized void syncMethod() {
    System.out.println("Inside synchronized method");
}

编译后的字节码：

0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc           #3                  // String Inside synchronized method
5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return

总结

Synchronized 通过对象头中的锁标志位和Monitor对象实现了多线程的同步机制。通过锁的升级与膨胀策略，它在无竞争的情况下尽可能减少同步开销，而在竞争激烈的情况下保证线程安全。理解其底层原理有助于更好地使用 synchronized，从而编写出高效的并发程序。