synchronized到底底层怎么实现？HotSpot能告诉你答案吗？

在多线程编程领域，synchronized是Java开发者最常用的线程同步工具。但许多开发者对其底层实现存在疑问：对象头如何存储锁状态？Monitor机制如何管理线程竞争？HotSpot虚拟机究竟通过哪些技术实现锁升级？本文将带您深入HotSpot源码，揭开这些核心问题的答案。

一、对象头：锁信息的存储基石

1.1 Mark Word的核心结构

每个Java对象在内存中分为三部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。其中对象头的Mark Word区域存储着与锁相关的关键信息：
```html

• 25位：存储对象哈希码（未锁定时）
• 4位：分代年龄（GC用）
• 1位：偏向锁标志
• 2位：锁状态标志

```
在64位JVM中，Mark Word扩展为64位结构，锁标志位控制着锁状态的实时转换。

1.2 锁状态标志位详解

二、Monitor机制：线程同步的核心引擎

2.1 ObjectMonitor结构解析

HotSpot通过ObjectMonitor对象实现Monitor机制，其关键字段包括：
```html

• _owner：指向持有锁的线程
• _EntryList：锁竞争队列
• _WaitSet：等待唤醒队列
• _recursions：重入计数器

```

2.2 同步流程全解析

2.2.1 加锁流程（monitorenter）

1. 检查对象头标志位
2. 通过CAS尝试获取锁
3. 失败后进入自适应自旋
4. 最终进入内核态阻塞

2.2.2 释放流程（monitorexit）

1. 递归计数器减一
2. 唤醒EntryList中的线程
3. 修改对象头状态

三、锁升级：性能与安全的动态平衡

3.1 偏向锁优化

当没有线程竞争时，HotSpot通过偏向锁优化，将线程ID记录在对象头中，后续同步操作直接比对线程ID即可完成。

3.2 轻量级锁的CAS机制

当出现轻度竞争时，JVM会将对象头中的锁记录指针替换为指向线程栈中的锁记录空间，通过CAS操作实现快速锁获取。

3.3 重量级锁的终极保障

当自旋超过阈值（默认10次），锁将升级为重量级锁，此时会触发操作系统级别的线程调度，确保系统稳定性。

四、HotSpot源码中的关键实现

4.1 对象头操作源码片段

在HotSpot的oop.hpp文件中，Mark Word操作的核心逻辑：

markOop header = object->mark();
if (header->is_neutral()) {
   // 尝试获取轻量级锁
}

4.2 锁升级的触发条件

• 偏向锁：对象第一次被线程访问
• 轻量级锁：CAS操作失败但竞争不激烈
• 重量级锁：自适应自旋失败或存在激烈竞争

五、性能优化实践建议

5.1 减少锁竞争

• 缩小同步代码块范围
• 使用ThreadLocal机制
• 采用无锁数据结构

5.2 合理控制锁粒度

通过分段锁或读写锁优化，在保证线程安全的前提下提高并发性能。

总结：HotSpot的锁实现智慧

通过对象头、Monitor和锁状态机的精密协作，HotSpot实现了锁状态的动态转换与线程调度的智能决策。这种分层实现的机制既保证了基本线程安全，又通过锁升级策略实现性能优化，完美平衡了安全与效率的需求。

完整代码示例与更多技术细节已上传至网盘：
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