【Java】synchronized 关键字详解：从字节码到对象头与锁升级
以下是关于 Java synchronized 关键字 的深度详解（以 2026 年初主流 Java 生态为基准，基于 Java 21 LTS 和 HotSpot JVM 实现）。synchronized 是 Java 并发编程的核心，用于实现线程同步，确保共享资源的互斥访问。它基于 监视器（Monitor） 机制，底层涉及 JVM 的对象头、字节码指令和锁优化。本文从原理到实战，逐层剖析，适合面试准备和实际开发。内容基于 OpenJDK 源码和官方文档整理。
1. synchronized 概述
- 作用：实现线程同步，防止多线程并发访问共享资源导致的数据不一致。支持方法级和代码块级。
- 使用场景：多线程环境下保护临界区，如计数器、共享列表。
- 三种形式：
- 实例方法：
public synchronized void method() {}（锁当前对象实例）。 - 静态方法：
public static synchronized void staticMethod() {}（锁 Class 对象）。 - 代码块：
synchronized(obj) {}（锁指定对象 obj）。
- 特性：
- 可重入：同一个线程可多次获取同一把锁（避免死锁）。
- 互斥：同一时刻只有一个线程持有锁。
- 公平性：默认非公平（抢占式），但底层可通过参数调整。
- 与 ReentrantLock 对比：
维度 synchronized ReentrantLock
实现 JVM 内置 JDK 类（AQS 框架）
灵活性 简单，无需手动解锁 支持公平锁、tryLock、interrupt
性能 JVM 优化后相当 稍高（用户态）
场景 简单同步 复杂场景 注意：synchronized 在 Java 6+ 后进行了大量优化（如锁升级），性能已接近 ReentrantLock。 2. 从字节码层面剖析 synchronized synchronized 在编译后转换为 monitorenter 和 monitorexit 指令（JVM 规范定义）。这些指令对应监视器的进入和退出。 2.1 示例代码public class SyncDemo { private final Object lock = new Object(); public void syncMethod() { synchronized (lock) { System.out.println("Hello synchronized"); } } }2.2 反编译字节码（使用 javap -v SyncDemo.class） 字节码片段（简化版，实际输出更详细）：public void syncMethod(); Code: 0: aload_0 1: getfield #2 // Field lock:Ljava/lang/Object; 4: dup 5: astore_1 6: monitorenter // 进入监视器（获取锁） 7: getstatic #3 // System.out 10: ldc #4 // "Hello synchronized" 12: invokevirtual #5 // println 15: aload_1 16: monitorexit // 退出监视器（释放锁） 19: goto 27 22: astore_2 23: aload_1 24: monitorexit // 异常时也需释放锁（JVM 自动生成第二个 monitorexit） 27: return Exception table: from to target type 7 17 22 any 22 25 22 any- monitorenter：尝试获取监视器锁。如果锁计数器为 0，则获取成功并加 1（可重入）。失败则阻塞。
- monitorexit：释放锁，计数器减 1。若减至 0，则完全释放。
- 异常处理：JVM 自动生成第二个 monitorexit，确保异常时释放锁（防止死锁）。
- 面试点：为什么有两个 monitorexit？（一个正常退出，一个异常退出）。
- Mark Word（8 字节）：存储 hashCode、GC 分代年龄、锁状态等。
- Class Pointer（4 字节）：指向类元数据。
- Array Length（可选 4 字节）：数组对象才有。
- thread_id：持有偏向锁的线程 ID。
- ptr_to_lock_record：指向线程栈中 Lock Record 的指针（轻量级锁）。
- ptr_to_monitor：指向 Monitor 对象的指针（重量级锁，基于 ObjectMonitor 实现）。
- biased_lock：是否启用偏向锁（默认 1，JVM 参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 可立即启用）。
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout; Object obj = new Object(); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable()); // 输出对象头布局- 面试点：对象头如何存储 hashCode？（无锁/偏向锁时直接存；升级后移到 Monitor 中）。
- 无锁（Unlocked）：无线程竞争。Mark Word 存储 hashCode 等。
- 偏向锁（Biased Lock）：
- 场景：单线程反复访问。
- 过程：第一次进入时，CAS 将线程 ID 写入 Mark Word。后续同线程直接检查 ID，无需 CAS。
- 开销：极低（纳秒级）。
- 升级触发：其他线程竞争 → 撤销偏向（批量偏向/撤销优化）。
- 轻量级锁（Lightweight Lock / Spin Lock）：
- 场景：轻微竞争，线程交替访问。
- 过程：竞争线程在栈中分配 Lock Record，CAS 将 Mark Word 指向它。自旋等待（默认 10 次，-XX:PreBlockSpin）。
- 开销：低（自旋消耗 CPU，但避免上下文切换）。
- 升级触发：自旋失败或竞争加剧 → 膨胀为重量级锁。
- 重量级锁（Heavyweight Lock / Monitor Lock）：
- 场景：激烈竞争。
- 过程：膨胀为 Monitor 对象（C++ 实现），包含 Owner、EntryList（阻塞队列）、WaitSet（等待队列）。使用 OS 互斥锁（pthread_mutex_lock）。
- 开销：高（上下文切换，微秒/毫秒级）。
- 释放：唤醒 EntryList 中的线程。
- 偏向 → 轻量级：多线程竞争。
- 轻量级 → 重量级：自旋超过阈值或线程数 > CPU 核数 / 2。
- 锁消除/粗化：JIT 优化（如无竞争时移除锁）。
public class LockUpgradeDemo { private static final Object lock = new Object(); public static void main(String[] args) { // 无锁/偏向锁 synchronized (lock) { System.out.println("First sync"); // 偏向当前线程 } // 模拟竞争，轻量级/重量级 new Thread(() -> { synchronized (lock) { try { Thread.sleep(100); } catch (Exception e) {} } }).start(); synchronized (lock) { System.out.println("Second sync"); // 可能升级 } } }- 监控工具：jstack 查看线程栈（Monitor 信息）；JMH 基准测试性能。
- 启用/禁用偏向锁：-XX:+UseBiasedLocking（默认开启）。
- 自旋优化：-XX:AdaptiveSpinning（自适应自旋次数）。
- 避免问题：
- 锁竞争激烈时，用 ReentrantLock 或分段锁（ConcurrentHashMap）。
- 不要在循环内加锁（锁粗化）。
- hashCode() 调用会禁用偏向锁（因为覆盖 Mark Word）。
- Java 21+ 影响：虚拟线程（Loom）下，synchronized 兼容，但重量级锁可能 pinning（固定载体线程），影响性能。推荐用 ReentrantLock 的虚拟线程模式。
- 面试高频：
- synchronized 是公平锁吗？（非公平，但可通过队列实现近似公平）。
- 为什么升级不可逆？（性能考虑，避免频繁切换）。
- 与 volatile 区别？（volatile 仅可见性，无互斥）。
