Synchronized底层原理深入剖析 - 锁的竞争与释放

# 1. 引言

## 1.1 Synchronized关键字的基本概念

Synchronized是Java中用于实现线程同步的关键字，它能够保证多个线程在访问共享资源时的互斥性和可见性。通常情况下，我们可以通过在方法或代码块上使用Synchronized关键字来保证线程的安全性。

Synchronized关键字有以下几种用法：

- **修饰实例方法**：当通过Synchronized修饰实例方法时，该方法会被当前实例对象的锁所保护，只有获得该锁的线程才能执行该方法。

public synchronized void method() {
    // synchronized代码块
}

- **修饰静态方法**：当通过Synchronized修饰静态方法时，该方法会被类的Class对象锁所保护，只有获得该锁的线程才能执行该方法。

 public static synchronized void method() {
     // synchronized代码块
 }

- **修饰代码块**：当通过Synchronized修饰代码块时，需要传入一个锁对象，只有获得该锁对象的线程才能执行代码块。

public void method() {
    synchronized (lock) {
        // synchronized代码块
    }
}

## 1.2 为什么需要锁机制？

在并发编程中，当多个线程同时访问共享资源时，会引发一些问题，如数据不一致性、内存泄漏、死锁等。为了保证线程安全和数据一致性，我们需要使用锁机制。

锁机制的作用是在多线程环境下控制对共享资源的访问，通过对代码块或方法进行加锁，实现对共享资源的互斥访问。锁机制能够保证同一时间只有一个线程访问共享资源，从而避免了数据竞争和并发冲突的问题。

锁机制不仅可以保证线程的安全性，还可以提升系统的性能。通过合理使用锁机制，我们可以实现线程间的协调与合作，提高并发性能和系统吞吐量。

下面，我们将深入探讨Synchronized的底层实现原理，以加深对锁机制的理解和应用。

# 2. Synchronized底层实现

在Java中，Synchronized关键字是实现线程同步的一种方式。当多个线程同时访问共享资源时，如果没有合适的同步机制，就会出现数据不一致的问题。Synchronized关键字通过加锁的方式，保证了同一时刻只有一个线程可以执行被保护的代码块或方法，从而避免了数据竞争和不一致的问题。

### Java对象头的结构和作用

在理解Synchronized的底层实现之前，首先需要了解Java对象头的结构和作用。在Java虚拟机中，每个对象都有一个对象头，用于存储对象的元数据和同步相关的信息。

Java对象头的具体结构如下所示：

| Mark Word | Class Metadata Address | Array Length (if the object is an array) |

其中，Mark Word（标记字段）用于存储对象的状态和锁信息，Class Metadata Address指向对象的类元数据，Array Length字段仅在对象为数组时存在，用于记录数组的长度。

### 锁的状态：偏向锁、轻量级锁、重量级锁

Synchronized锁的实现包括偏向锁、轻量级锁和重量级锁三种状态。

- 偏向锁：偏向锁是为了解决无竞争的情况下的锁性能问题而引入的。当一个线程获取到偏向锁后，如果再次进入同步块时，无需重新进行加锁操作，而是直接进入即可。只有在有其他线程争用锁时，偏向锁会自动升级为轻量级锁。

- 轻量级锁：当多个线程争用同一个锁时，偏向锁会升级为轻量级锁。轻量级锁使用CAS（Compare And Swap）操作来实现，如果CAS操作成功，表示当前线程获取到了锁，可以进入临界区执行，否则表示有其他线程竞争锁。

- 重量级锁：当轻量级锁竞争失败时，升级为重量级锁。重量级锁涉及到操作系统的底层同步机制，会导致线程阻塞和调度切换，性能较低。

### 全局锁和对象锁

在Synchronized的实现中，锁可以分为全局锁和对象锁两种类型。

- 全局锁：全局锁是指Synchronized修饰的静态方法或代码块使用的锁，该锁对应的是类对象的Class对象。在同一时刻，只能有一个线程执行该类的同步方法或同步代码块。

- 对象锁：对象锁是指Synchronized修饰的实例方法或代码块使用的锁，该锁对应的是对象的实例。在同一时刻，只能有一个线程获取到该对象的锁，执行该对象的同步方法或同步代码块。

public class LockExample {
    public synchronized void synchronizedMethod() {
        // 对象锁
        // 该方法同一时刻只能有一