Synchronized在JDK中的实现

synchronized 是 Java 中用于实现线程同步的关键字，它提供了互斥访问的机制，确保同一时刻只有一个线程可以执行特定的代码块或方法。synchronized 可以用于以下几种场景：

1. 修饰实例方法：为当前对象实例加锁，进入同步方法需要先获取对象锁。
2. 修饰静态方法：为当前类的 Class 对象加锁，锁定的是类对象。
3. 修饰代码块：为指定对象加锁，可以指定对象，通常是实例对象或自定义对象。

synchronized 的底层实现依赖于 JVM 的监视器锁（Monitor）机制。每个 Java 对象都与一个监视器相关联，线程可以通过获取这个监视器来实现对对象的独占访问。以下是 synchronized 在 JDK 中的实现原理：

对象头与 Mark Word

在 JVM 中，每个对象由三部分组成：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。对象头包含了两部分信息：

• Mark Word：存储对象的哈希码、GC 分代年龄、锁状态等信息。
• Klass Pointer：指向对象所属类的元数据的指针。

Mark Word 在不同锁状态下会存储不同的内容，例如无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。

锁的升级过程

Java 6 之后，synchronized 的锁状态会随着竞争情况从低到高逐步升级，这个过程是不可逆的：

• 无锁状态：初始状态。
• 偏向锁：适用于只有一个线程访问同步块的场景。
• 轻量级锁：适用于多个线程交替访问同步块的场景。
• 重量级锁：适用于多个线程同时竞争锁的场景。

监视器（Monitor）的工作机制

当锁升级到重量级锁时，JVM 会使用操作系统的互斥量（mutex）来实现同步，这时对象头中的 Mark Word 会指向一个监视器对象（Monitor）。监视器的主要结构包括：

• Owner：持有锁的线程。
• EntryList：等待获取锁的线程队列。
• WaitSet：调用 wait() 方法后进入等待状态的线程队列。

锁的获取与释放

线程进入 synchronized 块时，尝试获取对象的 Monitor 锁。锁被持有后，其他线程无法进入被锁定的代码块。当线程退出同步块或方法时，锁会被释放，其他线程可以继续竞争锁。

JDK 中的优化措施

自 JDK 1.6 起，synchronized 进行了多项优化，以提高性能：

• 锁膨胀/锁升级：从无锁状态到偏向锁，再到轻量级锁，最后到重量级锁的过程。
• 锁消除：在某些情况下，JVM 会检测不到某段代码被共享和竞争的可能性，从而将这段代码所属的同步锁消除掉。
• 锁粗化：将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起，扩展成一个范围更大的锁。
• 自适应自旋锁：线程自旋的次数不再是固定的值，而是一个动态改变的值，根据前一次自旋获取锁的状态来决定此次自旋的次数。

通过这些优化措施，synchronized 在不同的竞争场景中更加高效，同时保持了代码的简洁性和易用性。