synchronized加锁的过程

synchronized加锁的过程本质是通过 monitorenter指令、对象头（Mark Word） 和 对象监视器（Monitor） 三者协作实现的。以下是它们之间的关联及详细过程：

1. 核心组件关系

2. 加锁详细过程

当线程执行到synchronized代码块时，monitorenter指令触发以下流程：

步骤1：检查对象头（Mark Word）

• JVM首先读取对象的 Mark Word，根据锁标志位（Lock Flag）判断当前锁状态：

  • 无锁（01）：尝试通过CAS操作将Mark Word更新为偏向锁或轻量级锁。

  • 偏向锁（01）：检查Mark Word中的线程ID是否为当前线程。

  • 轻量级锁（00）：通过CAS自旋尝试获取锁。

  • 重量级锁（10）：直接进入Monitor的竞争流程。

步骤2：锁升级与Mark Word修改

根据锁状态执行不同操作：

场景1：无锁 → 偏向锁

• 若对象未加锁（无锁状态），JVM尝试通过CAS将 线程ID 写入Mark Word，并设置偏向锁标志。

• 成功：线程直接进入同步代码（无需额外操作）。

• 失败：撤销偏向锁，升级为轻量级锁。

场景2：偏向锁 → 轻量级锁

• 若当前线程是偏向锁持有者：直接执行同步代码（可重入）。

• 若其他线程竞争：

  1. 撤销偏向锁：在全局安全点暂停原持有线程，恢复Mark Word为无锁状态。

  2. 升级为轻量级锁：在栈帧中创建锁记录（Lock Record），将Mark Word拷贝到锁记录。

  3. 通过CAS将对象头的Mark Word替换为指向锁记录的指针（锁记录地址 + 轻量级锁标志00）。

场景3：轻量级锁 → 重量级锁

• 若CAS自旋失败（竞争激烈）：

  1. 锁膨胀：JVM分配一个Monitor对象，并将Mark Word指向Monitor的地址（锁标志变为10）。

  2. 关联Monitor：Mark Word中的指针指向Monitor，后续锁操作由Monitor管理。

步骤3：重量级锁与Monitor操作

• 当锁升级为重量级锁时，Monitor正式介入：

  1. Monitor结构：包含以下关键字段：

     • Owner：持有锁的线程。

     • EntryList：竞争锁的阻塞线程队列。

     • WaitSet：调用wait()的等待线程队列。

  2. 获取锁：

     • 线程尝试通过CAS将Monitor的Owner设置为自身。

     • 若失败，线程进入EntryList阻塞（通过操作系统的互斥量）。

  3. 释放锁：Owner线程退出同步代码时，重置Owner并唤醒EntryList中的线程。

3. 关键过程示例

示例1：轻量级锁的加锁

synchronized (obj) {
    // 代码块
}

1. 线程A首次进入同步块：

   • Mark Word为无锁状态（01）。

   • CAS将Mark Word更新为轻量级锁（00），存储锁记录指针。

2. 线程B竞争：

   • CAS失败，线程B自旋等待。

   • 自旋超过阈值后，锁膨胀为重量级锁，Mark Word指向Monitor。

示例2：重量级锁的Monitor竞争

synchronized (obj) {
    obj.wait(); // 调用wait()会释放锁，线程进入WaitSet
}

1. 线程A持有Monitor的Owner字段。

2. 调用wait()后，线程A释放Owner，进入WaitSet。

3. 线程B从EntryList中被唤醒，成为新的Owner。

4. 三者的关联总结

5. 性能与设计意义

• 锁升级机制：通过动态调整锁状态（偏向→轻量→重量），在无竞争时减少开销，高竞争时保证正确性。

• Monitor的代价：重量级锁依赖操作系统互斥量，涉及用户态到内核态切换，性能较低。

• 优化建议：减少锁竞争（如缩小同步块）、使用java.util.concurrent工具类替代。

总结

synchronized的加锁过程是 monitorenter指令触发锁状态的判断与升级，通过修改对象头（Mark Word）记录锁信息，最终在重量级锁阶段由Monitor管理线程同步。这一机制在保证线程安全的同时，通过锁升级策略平衡了性能与可靠性。