Java 锁相关详解【二、synchronized：Java 内置锁的全方位解析】

synchronized：Java 内置锁的全方位解析

在 Java 并发编程领域，synchronized 是最基础、最经典的同步手段。它伴随 Java 从诞生到如今，经历了从“性能低下”到“高度优化”的演变。本文将系统地拆解 synchronized 的语义、实现机制、性能优化与实践问题，帮助读者对这一核心锁机制形成全面、深入的理解。

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一、synchronized 的语义与用法

1.1 基本语义

synchronized 关键字实现了 互斥（Mutual Exclusion） 和 可见性（Visibility），是 Java 提供的 内置锁（Intrinsic Lock / Monitor Lock）。

其作用可以归纳为：

1. 互斥访问：保证同一时刻只有一个线程进入临界区。
2. 内存语义：保证进入和退出临界区的线程在内存可见性上符合 JMM（Java 内存模型）的要求。

1.2 使用方式

• 修饰实例方法：锁住当前实例对象。

  public synchronized void increment() {
      count++;
  }
  

• 修饰静态方法：锁住当前类的 Class 对象。

  public static synchronized void log() {
      System.out.println("Log...");
  }
  

• 修饰代码块：锁住指定对象引用。

  synchronized (lock) {
      list.add("item");
  }
  

注意：锁的真正粒度是 对象引用，而不是代码块本身。每个对象都可以作为一把锁。

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二、JVM 层实现原理

2.1 字节码指令

synchronized 通过字节码中的 monitorenter 与 monitorexit 指令实现：

• monitorenter：线程请求获取锁。
• monitorexit：线程释放锁。

例如：

synchronized (this) {
    count++;
}

编译后的字节码（简化）：

monitorenter
  iload_1
  iinc
  istore_1
monitorexit

JVM 会保证 monitorexit 一定执行，即使方法抛出异常，否则会导致锁泄漏。

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2.2 对象头（Mark Word）

在 HotSpot 虚拟机中，每个对象都有一个对象头，其中 Mark Word 用来存储锁相关状态。

锁状态	Mark Word 内容（32位为例）
无锁	哈希码、GC 分代年龄等
偏向锁	线程 ID、epoch 时间戳
轻量级锁	指向栈中 Lock Record 的指针
重量级锁	指向 Monitor 对象的指针

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2.3 Monitor 机制

当锁升级到重量级锁时，JVM 会使用 ObjectMonitor 来管理：

• EntryList：等待获取锁的线程队列。
• WaitSet：执行 wait() 后等待唤醒的线程队列。

Monitor 底层依赖操作系统的 互斥量（mutex）和条件变量（condvar），涉及用户态 ↔ 内核态切换，开销较大。

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三、锁的升级过程

JDK 1.6 引入了 锁升级（Lock Escalation） 机制，通过多层锁状态减少无谓的开销。

3.1 无锁（Unlocked）

• 初始状态，没有任何竞争。

3.2 偏向锁（Biased Locking）

• 对象第一次被某线程获取时，将 Mark Word 绑定该线程 ID。
• 同一线程再次进入临界区时，无需 CAS 竞争，性能极高。
• 当有其他线程竞争时，偏向锁会撤销，升级为轻量级锁。

3.3 轻量级锁（Lightweight Locking）

• JVM 在栈上创建 Lock Record，尝试用 CAS 把对象头指向它。
• 如果 CAS 成功，获得锁；若失败则自旋尝试。
• 若自旋失败（竞争激烈），升级为重量级锁。

3.4 重量级锁（Heavyweight Locking）

• 通过 ObjectMonitor 管理，线程进入阻塞/唤醒。
• 保证安全，但性能最差。

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四、内存语义

synchronized 在 JMM 中具备明确的内存语义：

1. 加锁（monitorenter）：

   • 清空工作内存，强制从主内存中读取共享变量的最新值。

2. 解锁（monitorexit）：

   • 将工作内存中的变量刷新到主内存，保证其他线程可见。

这意味着 synchronized 同时提供：

• 原子性（互斥访问）
• 可见性（写入刷新、读取加载）
• 有序性（禁止指令重排序）

例如，在 DCL（双重检查锁定单例模式）中，若没有 synchronized 的内存语义，可能会出现“指令重排导致未初始化对象被访问”的问题。

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五、JVM 优化策略

现代 JDK 已经对 synchronized 做了深度优化，使其性能不再是瓶颈。

1. 锁消除（Lock Elimination）
   JIT 通过逃逸分析，消除只在当前线程可见的锁。

   public void foo() {
       Object o = new Object();
       synchronized (o) {
           // 没有线程间共享，锁会被优化掉
       }
   }
   

2. 锁粗化（Lock Coarsening）
   多次短小的加锁操作会被合并成一次更大范围的加锁，减少频繁进入/退出锁的开销。

3. 自旋锁与自适应自旋

   • 在轻量级锁下，CAS 失败时会先自旋几次而不是立刻阻塞。
   • JVM 根据历史情况自适应调整自旋次数，避免浪费 CPU。

4. 偏向锁延迟

   • JVM 在应用启动几秒后再开启偏向锁，以避免冷启动阶段频繁撤销。

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六、常见问题与实践

6.1 死锁

synchronized (lockA) {
    synchronized (lockB) {
        // ...
    }
}

若另一个线程反向加锁，会导致死锁。

解决方案：

• 保证获取锁顺序一致。
• 使用可定时锁（ReentrantLock.tryLock()）。

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6.2 锁竞争

• 临界区过大或写操作过多，可能严重影响性能。

优化思路：

1. 减少锁粒度（例如分段锁）。
2. 使用并发容器替代传统集合。
3. 使用 ReadWriteLock 或 StampedLock 提升读性能。

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6.3 工程建议

1. 优先使用 synchronized（JDK 1.6+ 性能足够，语义简洁）。
2. 避免锁对象的可变性（推荐用 final Object lock = new Object();）。
3. 临界区要尽量短小，避免长时间持锁。
4. 对于复杂同步需求（如可中断、公平性），考虑使用 JUC 显式锁。

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七、总结

• synchronized 是 Java 并发的基石，提供 原子性、可见性、有序性 的保障。
• 它依赖 字节码指令（monitorenter/monitorexit）+ 对象头 Mark Word + Monitor 实现。
• 通过 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁 的升级机制，JVM 尽量减少锁竞争带来的开销。
• 随着 JDK 的优化，synchronized 在现代应用中完全可以胜任高并发场景。

换句话说，synchronized 已经从“性能差”标签中走出，成为 语义清晰 + 高度优化 + 安全可靠 的同步工具。