说一说synchronized的实现原理

得分点

对象头、锁升级

参考答案

标准回答

synchronized的底层是采用Java对象头来存储锁信息的，并且还支持锁升级。

Java对象头包含三部分，分别是Mark Word、Class Metadata Address、Array length。其中，Mark Word用来存储对象的hashCode及锁信息，Class Metadata Address用来存储对象类型的指针，而Array length则用来存储数组对象的长度。如果对象不是数组类型，则没有Array length信息。synchronized的锁信息包括锁的标志和锁的状态，这些信息都存放在对象头的Mark Word这一部分。

Java 6为了减少获取锁和释放锁带来的性能消耗，引入了偏向锁和轻量级锁。所以，在Java 6中，锁一共被分为4种状态，级别由低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态。随着线程竞争情况的升级，锁的状态会从无锁状态逐步升级到重量级锁状态。锁可以升级却不能降级，这种只能升不能降的策略，是为了提高效率。

synchronized的早期设计并不包含锁升级机制，所以性能较差，那个时候只有无锁和有锁之分。是为了提升性能才引入了偏向锁和轻量级锁，所以需要重点关注这两种状态的原理，以及它们的区别。

偏向锁，顾名思义就是锁偏向于某一个线程。当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程再进入和退出同步块时就不需要做加锁和解锁操作了，只需要简单地测试一下Mark Word里是否存储着自己的线程ID即可。

轻量级锁，就是加锁时JVM先在当前线程栈帧中创建用于存储锁记录的空间，并将Mark Word复制到锁记录中，官方称之为Displaced Mark Word。然后线程尝试以CAS方式将Mark Word替换为指向锁记录的指针，如果成功则当前线程获得锁，如果失败则表示其他线程竞争锁，此时当前线程就会通过自旋来尝试获取锁。

加分回答

下面，我们再从实际场景出发，来具体说说锁升级的过程。

1. 一开始，没有任何线程访问同步块，此时同步块处于无锁状态。
2. 然后，线程1首先访问同步块，它以CAS的方式修改Mark Word，尝试加偏向锁。由于此时没有竞争，所以偏向锁加锁成功，此时Mark Word里存储的是线程1的ID。
3. 然后，线程2开始访问同步块，它以CAS的方式修改Mark Word，尝试加偏向锁。由于此时存在竞争，所以偏向锁加锁失败，于是线程2会发起撤销偏向锁的流程（清空线程1的ID），于是同步块从偏向线程1的状态恢复到了可以公平竞争的状态。
4. 然后，线程1和线程2共同竞争，它们同时以CAS方式修改Mark Word，尝试加轻量级锁。由于存在竞争，只有一个线程会成功，假设线程1成功了。但线程2不会轻易放弃，它认为线程1很快就能执行完毕，执行权很快会落到自己头上，于是线程2继续自旋加锁。
5. 最后，如果线程1很快执行完，则线程2就会加轻量级锁成功，锁不会晋升到重量级状态。也可能是线程1执行时间较长，那么线程2自旋一定次数后就放弃自旋，并发起锁膨胀的流程。届时，锁被线程2修改为重量级锁，之后线程2进入阻塞状态。而线程1重复加锁或者解锁时，CAS操作都会失败，此时它就会释放锁并唤醒等待的线程。

总之，在锁升级的机制下，锁不会一步到位变为重量级锁，而是根据竞争的情况逐步升级的。当竞争小的时候，只需以较小的代价加锁，直到竞争加剧，才使用重量级锁，从而减小了加锁带来的开销。

延伸阅读

Java对象头结构如下所示：

Mark Word默认结构如下所示（32位）：

Mark Word在锁升级中演化结构如下所示（32位）：

升级偏向锁的过程如下图：

升级轻量级锁的过程如下图：