synchronized是怎么实现的？

核心概念

synchronized 是 Java 提供的内置锁机制，通过 JVM 底层的 Monitor（管程） 实现互斥访问。它在字节码层面通过 monitorenter 和 monitorexit 指令，以及对象头中的 Mark Word 来实现同步控制。

实现原理

1. 字节码层面

同步代码块：

synchronized(obj) {
    // 临界区代码
}

编译后的字节码：

monitorenter  // 获取锁
// ... 业务代码
monitorexit   // 释放锁（正常退出）
monitorexit   // 释放锁（异常退出）

同步方法：

public synchronized void method() {
    // 方法体
}

通过方法访问标志 ACC_SYNCHRONIZED 标识，JVM 在方法调用时隐式执行加锁/解锁。

2. 对象头与 Mark Word

每个 Java 对象在内存中包含：

  • Mark Word（8字节，64位JVM）：存储锁状态、GC年龄、哈希码等
  • Class Pointer（类型指针）
  • 数组长度（若为数组对象）

Mark Word 的锁状态标记：

锁状态 标志位 存储内容
无锁 01 对象哈希码、GC分代年龄
偏向锁 01 线程ID、Epoch、GC分代年龄
轻量级锁 00 指向栈中锁记录的指针
重量级锁 10 指向Monitor对象的指针
GC标记 11 空（不需要额外信息）

3. Monitor 对象结构

当升级为重量级锁时，依赖操作系统的 Mutex Lock（互斥量）：

ObjectMonitor {
    _owner       // 持有锁的线程
    _WaitSet     // 调用 wait() 的线程队列
    _EntryList   // 等待获取锁的线程队列
    _recursions  // 重入次数
    _count       // 计数器
}

关键实现细节

  1. monitorenter：
    • 如果 Monitor 计数器为 0，线程进入并设置为持有者
    • 如果当前线程已持有，计数器加 1（可重入）
    • 如果被其他线程持有，进入 _EntryList 阻塞
  2. monitorexit：
    • 计数器减 1
    • 当计数器为 0 时释放锁，唤醒 _EntryList 中的线程
  3. 异常保证：编译器生成两个 monitorexit，确保异常时也能释放锁

答题总结

  • 字节码：通过 monitorenter/monitorexit 指令或 ACC_SYNCHRONIZED 标志
  • 对象头：利用 Mark Word 存储锁状态和线程信息
  • Monitor：重量级锁依赖操作系统互斥量，管理 _owner、_EntryList、_WaitSet
  • 可重入：通过计数器 _recursions 记录重入次数

这种设计既保证了线程安全，又通过锁优化（偏向锁、轻量级锁）减少性能开销。